16

2016

Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě Český svaz stavebních inženýrů Svaz podnikatelů ve stavebnictví v ČR

Příloha časopisu Stavebnictví 01–02/16

stavebnictví MK ČR E 17014

l á i c e sp

dřevostavby možnosti monitorování a diagnostiky dřevostaveb www.casopisstavebnictvi.cz

Cop C Co op pyr yyri righ ght g h by b Lé LéonW o Wo oo ood o ®

4. - 7. 2. 2016

Výstaviště Praha - Holešovice www.drevostavby.eu

www.modernivytapeni.cz

DOPROVODNÝ PROGRAM VELETRHU DŘEVOSTAVBY Průmyslový palác - Střední hala - Salon dřevostaveb PÁTEK 5. 2. 2016 11:30 – 12:00 Energetická náročnost budov – novinky, průkazy, specialisté Státní energetická inspekce - Ing. Marcela Juračková

15:00 – 15:30 Trendy ve výstavbě pasivních dřevostaveb a příklady z praxe ARCHCON atelier - Ing. Irena Truhlářová

Od poloviny roku 2015 platí nová legislativní úprava, která nastavuje a upřesňuje některé povinnosti spojené s energetickou náročností budovy a průkazy energetické náročnosti budovy. Tyto úpravy se dotýkají téměř každého občana, jelikož se promítají do stavby domů stejně jako třeba prodejů a pronájmů domů či bytů. Novinky se odrazily i do samotného zpracovávání průkazů. Prezentace upozorní na tyto změny v legislativě a doporučí, jak k jednotlivým povinnostem přistoupit na základě zkušeností Státní energetické inspekce s praktickým prováděním.

Představení průběhu dvou projektů od studie k realizaci, seznámení posluchačů s řešením konstrukce, TZB a optimalizací na Novou zelenou úsporám.

12:00 – 12:30 Jak se správně připravit na energetický audit Státní energetická inspekce - Ing. Marcela Juračková Legislativní úprava zavádějící novou povinnost v oblasti energetických auditů pro vybrané podnikatele přinesla velké nejasnosti v tom, jak si tuto novou úpravu vyložit a jak zasahuje do stávajících povinností. Prezentace představí názor Státní energetické inspekce na oblast energetických auditů, jaké jsou možné přístupy k povinnostem a jak jim dostát. 13:30 – 14:00 Konstrukční systém STEICO - materiály, certifikace konstrukcí MTA Praha - Michał Komorowski, Ladislav Kubů Seznámení odborné i laické veřejnosti s konstrukčními a izolačními materiály vyráběných na bázi dřeva společností STEICO, konstrukčním systémem vyvinutým pro dřevostavby, difúzně otevřenými certifikovanými skladbami stěnových, stropních a střešních konstrukcí vč. komplexních tech. podkladů pro navrhování a realizace dřevostaveb. 14:00 – 15:00 Proč bychom si měli postavit kvalitní dřevostavbu? Asociace dodavatelů montovaných domů - Ing. Vratislav Blaha, CSc. Ucelený návod a doporučení pro zájemce o výstavbu nové dřevostavby, na co se zaměřit při výběru zhotovitele svého domu.

15:30 – 16:30 Stezka v oblacích – unikátní projekt na Dolní Moravě Prof. Ing. arch. Zdeněk Fránek Pan architekt Zdeněk Fránek považuje dřevo za základní stavební materiál. Na veletrhu DŘEVOSTAVBY 2016 bude prezentovat několik svých pozoruhodných realizací s použitím dřeva, od počátku jeho tvorby, až po poslední unikátní projekt Stezku v oblacích na Dolní Moravě. 16:30 – 17:00 Dřevo jako stavební materiál Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT - doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. Problém udržitelného využívání přírodních zdrojů. Zásoby dřeva v ČR. Přednosti dřeva z hlediska ekologického, sociálního a ekonomického. Vlastnosti dřeva a jeho vnímání. Určovaní vlastností dřeva. Problematika lepeného lamelového dřeva. Pokročilé nedestruktivní metody pro zjišťování vlastností konstrukčního dřeva. 17:00 – 17:30 Navrhování staveb ze dřeva na účinky požáru Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT - doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. Požární bezpečnost a odolnost staveb. Normový a skutečný požár. Chování materiálů a konstrukcí z různých materiálů při požáru. Požární odolnost prvků ze dřeva a materiálů na bázi dřeva a preventivní opatření. Hodnocení požární odolnosti dřevěných konstrukcí. Požární zkoušky dílců a celých dřevostaveb za účelem rozšíření poznání.

SOBOTA 6. 2. 2016 10:30 – 11:00 DEKPANEL – masivní dřevěné panely Dřevostavby Biskup - Stanislav Biskup, Ing. Jiří Skřipský Systém dřevostaveb z masivních dřevěných panelů. Výhody dřevostaveb z DEKPANEL a jejich uplatnění v praxi pro nízkoenergetické a pasivní stavby. 11:00 – 11:30 Proč bychom si měli postavit kvalitní dřevostavbu? Asociace dodavatelů montovaných domů - Ing. Vratislav Blaha, CSc. Ucelený návod a doporučení pro zájemce o výstavbu nové dřevostavby, na co se zaměřit při výběru zhotovitele svého domu. 11:30 – 12:00 Dřevostavby - svoboda a pokora Vesper Frames - Ing. Michal Šopík Kvalitní, estetické a hodnotné projekty vyžadují více než standardní vhled. Vyžadují službu klientovi s esencí porozumění, lásky a respektu. Jedině poté bude naplněno poslání – tvořit zajímavé a jedinečné stavby. 12:00 – 12:30 Dřevostavba, která má energie pod kontrolou MS Haus - Ing. Milan Schmiedt Vyhodnocení energetické bilance konkrétního dřevěného nízkoenergetického domu vč. vyčíslení úspor nákladů na jeho vytápění. 12:30 – 13:00 NULOVÁ dřevostavba, co to je a kdo by ji nechtěl? Asociace pro využití telených čerpadel - Ing. Josef Slováček Jo je to „nulový“ dům? Jak je vybaven a jak funguje? Jakých úspor energií na vytápění můžete dosáhnout? 13:00 – 14:00 Dřevostavba roku 2015 – slavnostní vyhlášení Odborné časopisy DŘEVO&stavby a sruby&roubenky – moderuje Aleš Cibulka Celoroční čtenářská soutěž odborných časopisů DŘEVO&stavby a sruby&roubenky vyústí na holešovickém výstavišti slavnostním vyhlášením výsledků soutěže spojeném s předáním cen jak soutěžícím, tak hlasujícím. Vylosovaným hlasujícím budou předány ceny v hodnotě téměř půl milionu korun, dodavatel nebo architekt vítězného domu získá putovní cenu časopisů – dřevěnou plastiku knihovny od uměleckého řezbáře Martina Patřičného. 14:00 – 14:30 Co je třeba zohlednit při výběru zhotovitele dřevostavby? Asociace dodavatelů montovaných domů - Ing. Vratislav Blaha, CSc. Ucelený návod a doporučení pro zájemce o výstavbu nové dřevostavby, na co se zaměřit při výběru zhotovitele svého domu. 14:30 – 15:00 Kvalitně postavený dům – jak na to a co kontrolovat? Výzkumný a vývojový ústav dřevařský - Ing. Jitka Beránková, Ph.D. Prezentace je zaměřena na kontrolu kvality dřevostaveb od jejich výroby u zhotovitelů až po montáž na stavbě. 15:00 – 15:30 Akustika - silná stránka dřevostaveb Fermacell GmbH - Ing. Jaroslav Benák Cílem prezentace je představení výhod konstrukcí na bázi dřeva z hlediska akustických parametrů. 15:30 - 16:00 Bydlení v nové nízkoenergetické dřevostavbě Asociace dodavatelů montovaných domů - Zákazník, který bydlí v nové dřevostavbě Praktické zkušenosti uživatele nové nízkoenergetické montované dřevostavby s výstavbou a užíváním domu. Diskuze s posluchači.

16:00 - 18:00 Mozaika dřevostaveb Salon dřevostaveb - Ing. arch. Pavel Horák Ročenka dřevostaveb vydávaná v rámci největší nesoutěžní přehlídky Salon dřevostaveb každoročně shrnuje nejlepší realizace, které za poslední rok vznikly v České republice a na Slovensku. A již tradičně se tyto stavby představí „naživo“ v sobotní Mozaice dřevostaveb v rámci mezinárodního veletrhu Dřevostavby. Zajímá Vás, jak všechny tyto domy vznikly, čím jsou charakteristické a jaký je jejich příběh? Přijďte zjistit, co stálo za vytvořením těchto jedinečných projektů. Jedenáct architektů představí v rámci bloku krátkých přednášek Mozaika dřevostaveb 11 domů publikovaných v čerstvé Ročence dřevostaveb. Atelier ARS: DAGROS, Kostomlaty nad Labem | Ing. arch. Pavel Šmelhaus COARCHITECTS: Dům se zelenou čepicí, Starý Jičín | Ing. arch. Jana Dedecius Martochová Createrra: Pasívny dom, Jablonové | Ing. Marián Prejsa Createrra: Pasívny dom, Pezinok | Mgr. art. Bjørn Kierulf LIKO-S: LIKO-NOE, Slavkov u Brna | Ing. Josef Volf KubisArchitekti: Rodinný dom, Edelstal | Ing. arch. Daniel Kubiš MOLO architekti: Dům pod strání, Rychnov nad Kněžnou | MgA. Mária Horecká Nalevanková Prodesi|Domesi: Rodinný dům, Prysk | Ing. arch. Pavel Horák Prodesi|Domesi: Rodinný dům, Středokluky | Ing. arch. Michal Kotlas Ateliér VAN JARINA: Dom so zelenou strechou, Bratislava-Rusovce | Ing. arch. Ivan Jarina VLLNNA: Saunoaltán KIJUKIJU v Biotopu Radotín | Ing. arch. Petr Šindelář

NEDĚLE 7. 2. 2016 – SRUBY A ROUBENKY 10:30 - 11:00 Výroba srubů a roubenek - úvod Odborný časopis Sruby a Roubenky, OK PYRUS - Radek Beneš, Otakar Koudelka Dřevo je pro člověka nejzdravější stavební materiál, který si může dopřát, ale má svá specifika – kdo chce bydlet v dřevěném domě, tak by měl dřevu rozumět. Letmý průběh celého procesu návrhu, stavby a bydlení ve srubu/ roubence: 1) výběr a těžba dřeva 2) Zásady navrhování staveb a projektová dokumentace 3) Proces výstavby, technologie 4) Údržba a život v dřevěném domě. 11:00 - 11:15 Představení realizace LéonWood - Rainer Schweigel, Richard Lehmann 11:15 - 11:30 Sruby a roubenky z přírodního masivu Sruby Pacák – Pavel Pacák Představení technologie a realizací, výhody a nevýhody dřevostaveb z masivu, přínos těchto staveb pro trvale udržitelný rozvoj 11:30 - 11:45 Představení realizace Roubenky Střihavka 11:45 - 12:00 Zajímavá stavba pro zajímavého člověka OK Pyrus – Otakar Koudelka Roubenka, která slouží třem účelům, postavená z borovice pro legendárního horolezce Zoltána Demjána, který jako první Čechoslovák stanul na nejvyšší hoře světa. Muž z Mount Everestu se ve svých šedesáti letech a po celoživotním bydlení v rušném centru Bratislavy přestěhoval do roubenky v malé obci Prašník na Kopanicích.

Přijďte se dozvědět o dřevostavbách více

dřevostavby

text doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. | grafické podklady archiv autora

Budoucnost využívání dřeva v českém stavebnictví V současné době jsou na stavební konstrukce kladeny stále rostoucí ekonomické, technologické a energetické požadavky, které je však potřeba vnímat i z pohledu environmentálně udržitelného rozvoje. Proto si Evropská komise v současnosti klade za cíl více podporovat výzkum nových materiálů a konstrukčních systémů pro stavebnictví, se specifickým zaměřením na udržitelnou výstavbu. Z tohoto pohledu je využití dřeva a materiálů na bázi dřeva velmi žádoucí, protože jen dostupné a snadno recyklovatelné materiály mají v trvale udržitelném rozvoji budoucnost. Dřevo je přitom velice unikátním stavebním materiálem. Pochází z obnovitelného surovinového zdroje – lesa – a na jeho zpracování není potřeba vynaložit tolik energie jako na výrobu oceli, betonu a zdiva. Na druhou stranu z něho lze vyrábět špičkové inženýrské výrobky a v neposlední řadě ho i různě chemicky modifikovat. V poslední době se stále více hovoří o Industry 4.0, tedy o čtvrté průmyslové revoluci. Jak víme, první průmyslová revoluce proběhla v roce 1712 s vynálezem parního stroje. Druhá průmyslová revoluce byla nastartována v roce 1870 s pásovým dopravníkem. Třetí průmyslová revoluce potom následovala v roce 1969 s nástupem programovatelných logických automatů (PLC). Čtvrtou průmyslovou revolucí Industry 4.0. by měla být inteligentní továrna. Inteligentní továrnou současnosti je například výroba Airbusu, kde se díky perfektnímu souběhu prací podařilo docílit cca 10% úspory, především časové. V oblasti stavebnictví Evropská komise již v současnosti podporuje „Lean Construction“ – způsob, jak organizovat výrobní procesy ve stavebnictví ▼ Obr. 1. Měření radiace při požáru zkušební dřevostavby

4

příloha 01–02/16

tak, aby se minimalizovalo plýtvání materiálu, času a úsilí, s cílem vytvářet maximální možnou hodnotu. Podle nejnovějších průzkumů totiž stavební dělníci stráví až 30 % pracovního času čekáním na to, až někdo jiný dokončí svou práci. Tyto a jim podobné chyby v řízení stavební proces výrazně prodražují. V rámci současných trendů tak vzniká obrovská šance pro prefabrikované dřevostavby, pro které hovoří i tyto důvody: ■ ekonomicko-energetické (na vytápění je oproti běžným silikátovým stavbám potřeba polovina až třetina energií); ■ rychlost výstavby; ■ pohoda vnitřního prostředí; ■ více vyhovují změnám způsobu života v čase (úpravy, rekonstrukce apod.); ■ vysoká kvalita a přesnost provedení; ■ nízké náklady na založení stavby vzhledem k nižší tíze dřevostavby (možnost stavět i tam, kde jsou složitější základové poměry); ■ větší užitný prostor ve vztahu k zastavěné ploše než u staveb provedených klasickou technologií cca o 10 %; ■ dřevostavba je tzv. suchá výstavba, kterou lze realizovat celoročně bez dopadu na kvalitu provedení. Vzhledem k tomu, že se dřevostavby po druhé světové válce tolik nepoužívaly, tak nikomu nevadilo, že v technických normách setrvala či vznikla určitá omezení, jež měla často kořeny v dávné minulosti, kdy v domech byla otevřená ohniště. Například Spojené království má stále v paměti obrovský požár v Londýně v roce 1666, kdy během pěti dnů bylo zničeno požárem 13 200 domů a 87 kostelů. V souvislosti s nástupem většího využití dřeva ve stavebnictví proto byly provedeny velmi nákladné zkoušky požární odolnosti dřevěné konstrukce vícepodlažní budovy. V důsledku těchto zkoušek pak byly změněny technické normy a ve Spojeném království je možné, mimo jiné, realizovat dřevostavby až do výšky 18 m. Podíl dřevostaveb na bytové výstavbě v Anglii a Walesu činí cca 25 % a ve Skotsku dokonce přibližně 75 %. Paradoxní přitom je, že zalesnění Spojeného království tvoří cca 12 %. Česká republika se zalesněním zhruba 34 % má přitom společně se Švýcarskem, Slovinskem, Německem a Rakouskem nejvyšší průměrné zásoby dříví na hektar v Evropě. Různá omezení v národních technických normách jednotlivých zemí Evropy se postupně odstraňují, a to i v rámci procesu sjednocování norem v Evropě. Je to samozřejmě dlouhodobější a také citlivá záležitost, protože lidé mají zafixováno, že dřevo hnije a hoří. Málokdo si však uvědomuje, že dřevo hnije a hoří, až když jsou pro to vytvořeny podmínky, především v podobě

špatné údržby staveb. Ve sdělovacích prostředcích je problematika údržby staveb stále více prezentována i na příkladech staveb z jiných stavebních materiálů. Lidé si tak najednou uvědomují, že i jiné konstrukce mohou mít v případě špatné údržby problémy. Postupně tak dřevo nevnímají jako rizikový materiál. Důkazem toho jsou existující historické stavby ze dřeva. Významné změny v evropských normách by měly nastat i během v současnosti nastartovaného procesu tzv. druhé generace Eurokódů. Normy pro navrhování stavebních konstrukcí budou postupně přepracovány a rozšířeny na základě nových vědeckých poznatků. Velkým posunem v přístupu univerzit a výzkumných ústavů k technické normalizaci je i přijetí názoru, že technické normy jsou přenosem vědy do praktických metodických postupů. Normativní omezení v oblasti požární bezpečnosti, která v ČR historicky vznikla a bylo by dobře se s nimi vyrovnat, jsou například tato. ■ Druhy konstrukčních částí DP1, DP2 a DP3, kde jsou pro dřevo určité handicapy. Tyto jsou však často akcelerovány špatným výkladem, co je např. DP2. Většina požárních norem je totiž psána ve stylu slohových cvičení. Další věcí je, že třídění konstrukcí podle druhů konstrukčních částí západní Evropa nezná. S ohledem na to, že ČR je členem EU, měli bychom toto přežité třídění odstranit. ■ Výšku dřevostaveb se v ČR podařilo již zvýšit z 9 m na 12 m. Nicméně většina zemí západní Evropy opět omezení výšky dřevostaveb nepoužívá a jako požadavek je stanovena pouze doba požární odolnosti. ■ Velký handicap pro dřevostavby představují požadované odstupové vzdálenosti, které jsou podle našich zkušeností v některých případech až dvojnásobné oproti provedeným zkouškám, viz obr. 1. V době, kdy se velikosti parcel z cenových důvodů snižují, je to pro dřevostavby velmi omezující. Této problematice bude proto třeba v blízké budoucnosti věnovat zvýšenou pozornost. ■ Problémem pro dřevostavby je i to, že často dochází k nesprávnému výkladu toho, co je otevřená a co uzavřená požární plocha s ohledem na její stěny. V současnosti se snažíme maximálně věnovat rozšíření poznatků v oblasti požární odolnosti dřevostaveb. Provádíme různé zkoušky na dřevostavbách při skutečném požáru. Přitom logicky zjišťujeme, že s rozvojem požáru velmi zásadně souvisí přísun kyslíku. Jestliže například u dřevostavby použijeme protipožární okno, které za požáru nepraskne, tak i při otevřených dveřích není výsledek třicetiminutového požáru fatální, viz obr. 2. Problematika požární odolnosti konstrukcí nalézá v současnosti vhodná řešení díky profesionalitě hasičů a jejich schopnosti zasahovat rychle a kvalifikovaně. Na obr. 3 je vidět půdní prostor zastřešený lehkou střešní konstrukcí s vazníky s deskami s prolisovanými trny. Od komínového tělesa došlo k vzplanutí jednoho z vazníků a požár se pak rozšířil i na další vazníky. V průběhu zásahu hasičů byl však minimalizován přísun kyslíku do půdního prostoru a výsledek jejich perfektního zásahu je zřejmý z obr. 3. Za velký úspěch můžeme proto považovat, že se v ČR, v souladu s evropskými trendy, nenásilně podařilo nastartovat tzv. řetězec dřeva – tj. úzkou spolupráci lesnictví, dřevozpracujícího průmyslu a stavebnictví. Za podpory EU, státu, Generálního ředitelství Lesů ČR je v současnosti v ČR realizován poměrně široký výzkum v oboru dřevostaveb. Tento výzkum si klade za cíl nejen vyvíjet pokročilé materiály a výrobky na bázi dřeva, ale i optimálně kombinovat ve stavbách dřevo s betonem, zdivem, ocelí a sklem s cílem co nejlépe využít vlastnosti každého z těchto materiálů. Železobetonové skelety s dřevěnými obvodovými plášti či kompozitní dřevobetové stropy jsou v současnosti předmětem největší pozornosti. České vysoké učení technické v Praze, které plní funkci Centra technické normalizace v oboru stavebních konstrukcí, se v současnosti i díky nově vzniklému Univerzitnímu centru energeticky efektivních budov snaží maximálně přispět k procesu vytváření pod-

▲ Obr. 2. Zkušební dřevostavba s protipožárním oknem po požáru

▲ Obr. 3. Půdní prostor s lehkou střešní konstrukcí po požáru

mínek pro větší využití dřeva v českém stavebnictví. Dokladem toho jsou i následující články přílohy časopisu Stavebnictví, které prezentují i nutnost multidisciplinárního přístupu k řešení aktuální problematiky současného stavebnictví. ■ Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu TE02000077 Inteligentní regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj a podpory Evropské unie a projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. Autor: doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. ČVUT v Praze, Fakulta stavební a Univerzitní centrum energeticky efektivních budov


5

dřevostavby

text Ing. Jan Pošta, Ph.D., doc. Dr. Ing. Jakub Dolejš, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. | grafické podklady archiv autorů

Využití radiometrie při vyšetřování dřevěných zabudovaných prvků Příspěvek se zabývá zjišťováním objemové hmotnosti dřevěných prvků pomocí radiometrie. Objemová hmotnost je dobrým ukazatelem mechanických vlastností a slouží jako vstupní parametr pro vyšetřování dřevěných prvků akustickými metodami. Na několika sadách dřevěných vzorků byla měřena objemová hmotnost pomocí radiometrie. Byl pozorován velký vliv rozměrů průřezu prvku, naopak vliv vlhkosti byl zanedbatelný. Pomocí statistiky byla stanovena rovnice pro výpočet objemové hmotnosti na základě měření radiometrií. Pro porovnání se zkoumanou metodou radiometrie článek uvádí dvě nejběžněji používané penetrační metody a jejich přesnost při měření objemové hmotnosti. Metody vyšetřování dřeva Při vyšetřování dřevěných historických konstrukcí se využívá především vizuálního hodnocení s pomocí jednoduchých nástrojů, jako jsou kladívko či šroubovák. Pro zjištění fyzikálních či mechanických vlastností dřeva je zapotřebí složitější postup. Využívá se převážně penetračních a akustických metod. Z méně rozšířených metod lze zmínit rentgen, termografii apod. Akustické metody dobře predikují modul pružnosti a pevnost, ale k určení dynamického modulu pružnosti je nutné znát objemovou hmotnost prvku. U zabudovaných dřevěných prvků se v současné době definuje objemová hmotnost jen velmi obtížně. Lze použít penetrační metody, které se využívají hlavně při hodnocení stavu (poškození) dřeva. Při měření těmito metodami se fyzikální nebo mechanické vlastnosti zkoušených prvků odvozují na základě měření odporu dřeva proti vniku trnů, vrtáků či jehel nebo odporu proti vytržení např. vrutu ze dřeva. Změřené veličiny nejlépe korelují právě s objemovou hmotností. Tyto metody jsou často také nazývány mechanicko-odporovými metodami. Vzhledem k tomu, že oproti penetračním metodám je radiometrie čistě nedestruktivní, nabízí se jako vhodné řešení při zjišťování objemové hmotnosti dřevěných prvků historických konstrukcí.

Zarážení trnu Pilodyn 6J je ruční přístroj vyvinutý ve Švýcarsku a slouží k semidestruktivnímu hodnocení dřeva. Umožňuje objektivní posouzení rozsahu napadení dřeva dřevokaznými houbami, hmyzem nebo hnilobou a s tím souvisejícím lokálním snížení jeho pevnosti. Zvláště účinný je při lokalizaci poškozené části prvku, zejména

6


ve zhlaví stropních trámů. Nevýhodu přístroje je, že umožňuje pouze povrchové zkoumání, na druhou stranu jde o velmi rychlý a relativně přesný způsob odhadu hustoty [1]. Regresní rovnici pro stanovení pevnosti v ohybu konstrukčního smrkového dřeva na základě znalosti hustoty stanovili Kuklík a spol. [22]. Přístroj vystřeluje do dřeva ocelový trn s průměrem 2,5 mm při konstantní zarážecí energii 6 joulů a měří hloubku jeho vniku do dřeva (rozsah je 0 až 40 mm). Porovnáním hloubky vniku na různých místech zkoušeného dřevěného prvku lze přesně vymezit jeho poškozenou oblast a objektivně kvantifikovat míru poškození. Kotlínová, Kloiber a spol. [2] zkoumali závislost mezi hloubkou penetrace a dynamickým modulem pružnosti u vzorků z borovice a kaštanu. Došli k hodnotám koeficientu korelace 0,73 pro kaštan a 0,66 pro borovici v radiálním směru. Se snižující se hloubkou penetrace rostl modul pružnosti vzorku. Cavalli [3] zkoumal jedlové vzorky; korelace mezi hloubkou penetrace a globálním modulem pružnosti zjištěným podle EN 408 [4] byla velice vysoká (R = 0,88). Takto vysoká závislost mezi hloubkou penetrace a modulem pružnosti či pevností je spíše výjimkou. Hrivnák a spol. uvádějí ve své práci [5] nejvyšší součinitel korelace 0,57 pro vztah s pevností v tlaku rovnoběžně s vlákny na borovicových vzorcích. Bartůňková [6] zmiňuje koeficient korelace 0,62 mezi hloubkou penetrace a pevností v tahu rovnoběžně s vlákny pro vzorky jírovce. Nejlepší výsledky dosahuje přístroj při zjišťování hustoty prvku. Lokaj a Vavrušková [7] našli součinitel korelace mezi hloubkou penetrace a hustotou 0,76 na smrkových vzorcích, Iñiguez-Gonzales a kol. [8] 0,65 na vzorcích borovice a kaštanu, Arriaga a kol. [9] 0,54–0,78 pro vzorky borovice a Kloiber [1] 0,55 pro vzorky smrku.

Odporové vrtání Přístroj Resistograph pracuje na principu měření odporu při vrtání do dřeva konstantní rychlostí. Poškození zkoumaných prvků je vzhledem k průměru vrtáku malé. Výhodou oproti Pilodynu je hloubková analýza prvku. Tato metoda se používá, podobně jako další penetrační metody, hlavně při zjišťování stavu konstrukce [10]. Výsledkem měření je grafický výstup, tzv. hustotní profil (dendrogram). Vyšší hodnota odporu odpovídá vyšší hustotě, na záznamu je dobře patrné střídání jarního a letního dřeva v letokruhu a hlavně nulový odpor při vrtání v místě dutiny. Byla zkoumána závislost mezi parametry grafického výstupu (délka křivky, plocha pod křivkou atd.) a hustotou, modulem pružnosti či pevností v tlaku podél vláken. Výsledky se velmi liší, nejvyššího koeficientu korelace R dosahují parametry s hustotou (0,84–0,87) [11]. Obecně lze říci, že závislosti mezi parametry dendrogramu a fyzikálními či mechanickými vlastnostmi dosahují středních hodnot (R = 0,63–0,81). To potvrzuje i práce Bartůňkové [6], která uvádí koeficienty korelace s pevnostmi a moduly pružnosti v tahu, tlaku i ohybu (0,28–0,65). Calderoni a kol. [12] zkoumali závislost mezi odporem při podélném vrtání a pevností v tlaku podél vláken na vzorcích smrku a kaštanu (R = 0,76). Podobné výsledky udávají Hrivnák a spol. [5], kteří se zabývali zkoumáním vzorků borovice, jedle a smrku – koeficient korelace R s mechanickými vlastnostmi se pohybuje od 0,37 do 0,64,

pro hustotu je to od 0,65 do 0,75. Hlavní nevýhodou odporového vrtání je nutnost vrtání v radiálním směru z důvodu střídání jarního a letního dřeva v letokruhu.

Radiografie Vyšetřování konstrukcí pomocí rentgenového záření začalo již ve čtyřicátých letech 20. století. Většímu rozšíření bránila vysoká cena, hmotnost a velikost samotných přístrojů, které nebylo možné převážet do historických objektů. V současnosti se využívá fosforových desek, které dovolují okamžité vyvolání obrazu a opakované použití. Radiografie se využívá při určování místa a rozsahu poškození ve dřevě [13]. Pokročilou metodou použití rentgenového záření je tzv. počítačová tomografie. Zdroj záření i detektor se pohybují okolo zkoumaného prvku a umožňují vytvoření prostorového obrazu objektu [14]. Podle intenzity zdroje záření lze zkoumat dřevěné prvky v makroskopickém i mikroskopickém měřítku.

Radiometrie Vedle radiografie přichází na řadu i přímé radiometrické měření hustoty, kde odpadá mezikrok s vyvoláním fotografického filmu. Radiometrické měření umožňuje kromě jiného stanovit okamžitou hodnotu objemové hmotnosti a vlhkosti stavebních materiálů bez jeho porušení [15], [16]. Používá se zpravidla tam, kde jsou měření objemové hmotnosti a vlhkosti klasickými metodami (měřením objemu a hmotnosti) pomalá nebo technicky neproveditelná. Radiometrie objemové hmotnosti je založena na principu průchodu a zeslabení gama záření nebo na principu rozptylu gama záření v měřeném materiálu. Metoda průchodu a zeslabení gama záření Při použití metody průchodu a zeslabení gama záření jsou zdroj záření a detektor umístěny na protilehlých stranách vzorku. Výsledkem měření je průměrná objemová hmotnost materiálu mezi zdrojem záření exponenciální a detektorem. Vztah[17]: mezi zářením a hustotou Lambertova rovnice vyjadřuje Lambertova exponenciální rovnice [17]:

N = N 0 ⋅ e −µ mρt

(1)

kde: N četnost impulzů po průchodu materiálem [–]; N0 četnost impulzů nezeslabeného svazku záření [–]; μm hmotnostní součinitel zeslabení [m2 /kg]; t tloušťka vyšetřovaného materiálu [m]; ρ hustota vyšetřovaného materiálu [kg/m3]. Pro určení hustoty na základě zeslabení gama záření je nutné znát hmotnostní součinitel zeslabení, který je závislý na intenzitě zdroje záření a na složení měřeného vzorku. Dřevo obsahuje z 99 % uhlík, kyslík, vodík a dusík. Mezi různými druhy dřeva se jejich vzájemný poměr příliš neliší, tudíž je rozdíl v hmotnostním součiniteli mezi různými druhy zanedbatelný [18], [19]. Ve studii [20] autoři zkoumají rozdíl v hmotnostním součiniteli pro osm druhů dřeva a tři druhy záření. Hustota se pohybuje od 418 kg/m3 do 789 kg/m3 a největší rozdíl v hmotnostním součiniteli pro tři různé typy záření je 5,3 %. Otázkou zůstává, jaký vliv má zvýšená vlhkost vzorku. Pokud se vhodně zvolí zdroj záření, je hodnota součinitele zeslabení dřeva a vody velmi podobná, nebo se liší jen do cca 10 %. Pokud se tedy

vlhkost zkoumaného vzorku nevymyká obvyklým hodnotám, může se její vliv zanedbat [21]. Metoda rozptylu záření gama Tato metoda se běžně využívá při určování objemové hmotnosti čerstvých betonových směsí, zdiva či asfaltových vrstev vozovky. Při použití metody rozptylu gama záření je mezi zdrojem záření a detektorem stínicí vrstva, která brání přímému průchodu záření ze zářiče do detektoru. Detektor zaznamenává pouze záření, které bylo v materiálu rozptýleno převážně Comptonovým efektem. Tento jev nastává, pokud energie fotonu gama záření je větší než vazební energie obalového elektronu. Při tomto jevu se fotony chovají jako pružné částice, které při srážce s obalovým elektronem ztratí část své energie. Metodou rozptylu gama záření se měří objemová hmotnost materiálu v okolí detekční jednotky. Radiometrická povrchová souprava se používá při měření v polokulové geometrii u materiálů, u kterých nelze nebo je nežádoucí porušit jejich povrch. Tloušťka měřené vrstvy je závislá na geometrickém uspořádání detekční jednotky, na objemové hmotnosti materiálu a energii a aktivitě zářiče. Dosahuje v průměru hodnoty 50–150 mm.

Experimenty a jejich výsledky Pro experimenty byl zvolen princip rozptylu gama záření. K měření byla použita povrchová radiometrická souprava, která je lehce přenosná a při měření se jednoduše přiloží na zkoumaný prvek, což je pro měření in situ velmi výhodné. Na jedné straně soupravy je gama zářič a na druhé straně detektor, zářič je odstíněn ochuzeným 238U. Detektor zaznamenává záření, které bylo v materiálu rozptýleno převážně Comptonovým efektem [16]. Využívá se nejcitlivější dostupný zářič Cesium 137 (137Cs). Měření probíhalo v Ústavu stavebního zkušebnictví na VUT v Brně. Byla sledována četnost elektrických impulzů, které odpovídají množství detekovaného záření za 1 minutu a souvisí s objemovou hmotností materiálu. Pro první zkoušky, které měly za cíl ukázat, zda je tato metoda pro dřevo použitelná, byly připraveny vzorky ze dvou smrkových trámů o průřezu 120/120 mm. První trám byl bez výrazných růstových vad s mírným biotickým napadením. Druhý trám byl znehodnocen výraznou podélnou trhlinou šířky až 10 mm. Byla sledována četnost elektrických impulzů, které odpovídají množství detekovaného (1)1 minutu a obecně závisejí na objemové hmotnosti mazáření za teriálu. Deset vzorků bylo připraveno z bezvadého trámu a deset vzorků z trámu s výsušnou trhlinou. Hodnota koeficientu korelace R 0,82 pro bezvadé vzorky představuje poměrně dobrý výsledek vzhledem ke struktuře dřeva, ale v tomto případě je spíše náhodná. Pro vzorky získané na trámu s trhlinou je závislost mezi počtem detekovaných impulzů a objemovou hmotností nulová. Negativní vliv trhliny je ovšem zanedbatelný, radiometrická souprava byla přikládána z opačné strany vzorků a navíc vzduchová mezera obecně měření radiometrií neovlivňuje. Při prvním experimentu se potvrdilo očekávání, že takto minimální rozdíl mezi objemovou hmotností smrkových trámků nelze spolehlivě zářičem 137Cs zachytit. Pro další experimenty byly připraveny vzorky z více druhů dřevin s rozdílnými objemovými hmotnostmi, kde by se menší citlivost používaného zářiče 137Cs neměla projevit. Kromě smrku byly vybrány i dřeviny listnaté s vyšší objemovou hmotností či dřeviny jehličnaté, které se běžně ve stavebnictví nepoužívají (akát, dub, jasan, javor, lípa, modřín). Průřezy většiny vzorků měly rozměry 45/120 mm, jen vzorky modřínu měly průřez 60/120 mm. Zkoušky probíhaly v několika etapách od března 2011 do ledna 2012 v Ústavu stavebního zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně. Měření bylo opět pomocí


7

▲ Obr. 2. Závislost počtu zachycených impulzů na objemové hmotnosti pro sestavy o průřezech 120/180, 120/135, 120/90 a 120/45 mm

▲ Obr. 3. Závislost mezi výškou sestavy a počtem zachycených impulzů pro jednotlivé druhy dřevin

▲ Obr. 1. Měření objemové hmotnosti dřeva radiometrickou povrchovou soupravou

povrchové radiometrické soupravy se zářičem 137Cs (obr. 1). Aby byl simulován co nejlépe reálný trám, byly vždy čtyři prvky o rozměrech 45/120 mm uloženy na sebe tak, že konečná sestava měla průřez o nominálních rozměrech 180/120 mm (spáry výsledek zkoušky neovlivňují). Dílčí sestavy měly rozměry 120/45 mm, 120/90 mm a 120/135 mm. Hodnota výsledné objemové hmotnosti byla uvažována jako průměr ze všech prvků položených na sobě, objemová hmotnost sestav dosahovala hodnot mezi 539–771 kg/m3. Hodnoty koeficientů korelace ukazují výraznou závislost mezi počtem impulzů a objemovou hmotností dřeva (obr. 2). Je zřejmé, že mezi hustotou a četností impulzů je nepřímá úměrnost, velmi vysoké koeficienty korelace ukazují vysokou závislost. Z dosavadních měření je zřejmé, že množství zachyceného záření je závislé nejen na objemové hmotnosti měřeného vzorku, ale i na jeho rozměrech. Z toho důvodu byl další postup zaměřen na prověření vlivu výšky a šířky měřeného vzorku. Při hledání závislosti počtu zachycených impulzů na výšce a šířce bylo měření prováděno na vzorcích stejného druhu dřeviny, aby nebyly výsledky ovlivněny rozdílnou objemovou hmotností. Pro zjištění vlivu výšky se použily vzorky z pěti druhů dřevin (akát, dub, javor, modřín, lípa). Z vzorků o délce cca 450 mm a průřezu 45/120 mm (60/120 mm) byla uložením na sebe vytvořena sestava šířky 120 mm a výšky podle počtu použitých vzorků. Následně byl vždy spodní prvek odebrán a tak byla výška měřené sestavy postupně snižována.

8


▲ Obr. 4. Závislost mezi šířkou sestavy a počtem zachycených impulzů pro jednotlivé druhy dřevin

U závislosti počtu zachycených impulzů na výšce vzorku byla nalezena zřejmá přímá úměrnost mezi výškou a počtem zachycených impulzů. Závislost opět nejlépe vystihuje lineární regrese (obr. 3). Koeficienty korelace R dosahují poměrně vysokých hodnot (javor – 0,99, dub – 0,90, modřín – 0,95, lípa – 0,97). Vliv změny šířky na počet impulzů se ověřoval na vzorcích javoru, modřínu a lípy. Postupovalo se tak, že byly prvky kladeny na hranu o šířce 45 či 60 mm vedle sebe, takže tvořily sestavu o výšce 120 mm a šířce podle počtu vzorků jednotlivých druhů. Závislost počtu

N = N0 · e-µmρt

i šířka a druhá mocnina šířky. Celkový počet měření je 65 (13 průřezů x 5 dře

Lambertova exponenciální rovnice [17]: ρr,i = β0 + β1Ni + β2ši + β3ši2 + β4vi + β5wi + ei zachycených impulzů na šířce vzorku nejlépe popisuje polynomická (2) Lambertova exponenciální rovnice [17]: regrese druhého stupně. Hodnota koeficientu korelace 1,0 pro všechny tři měřené dřeviny (javor, modřín a lípa) ukazuje velmi vysokou kde: N = N0 · e-µmρt Po dosazení všech i-tého naměřených hodnot byl odvozen vztah pro výpoč -µmρt hmotnost vzorku závislost (obr. 4). ρr,i objemová N = N0 · e 1 zjištěná radiometrií [kg/m3]; hmotnosti: Ni počet zachycených impulzů u i-tého vzorku [–]; Z předešlých experimentů je zřejmé, že počet zachycených impulzů i-tého–vzorku [mm]; ši šířka povrchovou radiometrickou soupravou závisí zejména na objemové N ši2 měření – 0,524jevi65 – 5,165 wi + ei x 5 dře r,i = 5968 i – 6,049 i – 0,01145 iρšířka a druhá1,154 mocnina šířky. šCelkový počet (13 průřezů vi výška i-tého vzorku [mm]; hmotnosti, šířce vzorku a výšce vzorku. K odvození vztahu pro i šířka a druhá mocnina šířky. Celkový počet měření je 65 (13 průřezů x 5 dřevin). [–]; 2 wi vlhkost výpočet objemové hmotnosti pomocí radiometrie byly připraveny + β1Nvzorku ρr,i = β0i-tého i + β2ši + β3ši + β4vi + β5wi + ei 3 2 a dub). náhodná chyba u i-tého vzorku [kg/m ].TABULKY 2 e další vzorky ze čtyř druhů dřevinρ (smrk, borovice, modřín POZOR, 3X DOPLNĚNÍ JEDNOTKY DO ZÁHLAVÍ 2 r,i = β0 + β1Ni + β2ši + β3ši + β4vi + β5wi +i ei Každý vzorek se měřil dvěma způsoby. Nejprve byla radiometrická Odhad směrodatné Dolní mez Horní mez Odhad Nezávisle odchylky odhadu Po dosazení všechvšech naměřených hodnot byl odvozen pro výpočet souprava přiložena na užší stranu vzorku a měřilo se po výšce vzorku. Po dosazení naměřených hodnot byl vztah odvozen vztah odhadu pro výpo parametru odhadu proměnná hmotnosti: parametru parametru hmotnosti: Následně byla souprava přiloženaPo na širší stranuvšech vzorkunaměřených a měřilo se pohodnotobjemové dosazení byl odvozen vztah βpro výpočet objemové 1 parametru hmotnosti: šířce vzorku. Celkem proběhlo měření na třinácti různých průřezech 2 2 ρr,i = 5968 – 1,154 Ni – 6,049 ši – 0,01145 ši – 0,524 vi – 5,165 wi + ei (120/120, 120/140, 140/120, 120/160, 160/120, 120/180, 180/120, ρr,i = 5968 – 1,154240/120 Ni – 6,049 ši –Pro 0,01145 ši – 0,524 vi – 5,165 wi + ei 3 (3) 120/200, 200/120, 120/220, 220/120, 120/240, mm). všech třináct průřezů byly sestaveny závislosti počtu zachycených POZOR, 3X DOPLNĚNÍ JEDNOTKY DO ZÁHLAVÍ TABULKY 2 Koeficient determinace D dosahuje hodnoty 0,98, což ukazuje, že impulzů na objemové hmotnosti. Závislosti nejlépe popisuje lineárOdhad směrodatné POZOR, 3X DOPLNĚNÍ JEDNOTKY DO ZÁHLAVÍ TABULKY 2 Odhad Dolní mez Horní mez Nezávisle je tento vztah vhodný pro výpočet objemové hmotnosti. Vztah byl odhadu ní regrese. Stejně jako u předešlých měření byla zjištěna nepřímá Odhad směrodatné Dolní mez parametru odhadu Odhad Horní mez odchylky odhadu proměnná Nezávisle odvozen na vzorcích, jejichž výška i šířka se pohybovala v intervalu úměrnost mezi objemovou hmotností a počtem zachycených impulβodhadu parametru odparametru parametru odchylky odhadu odhadu Statistika ti 1 parametru proměnná 120 do 240 mm. V tab. 2 jsou uvedeny odhady směrodatné odchylky zů. Koeficienty korelace pro všech třináct průřezů jsou opět velmi β1 parametru parametru parametru odhadu parametru, horní a dolní mez odhadů parametru a statistiky vysoké, pohybují se v intervalu od 0,97 do 1,00 (tab. 1). parametrů. I při těchto měřeních byla sledována závislost počtu impulzů na 95% horní kvantil rozdělení o 59 stupních volnosti t0,025 má hodnotu změně výšky a šířky vzorku pro každý druh dřeviny zvlášť. Pro každý 2,001. Hodnota statistiky ti pro všechny parametry je větší než horní druh dřeviny byly vytvořeny dva grafy. Závislost zachycených impulzů kvantil, což znamená, že ρr,i závisí na všech vysvětlujících proměnných. na změně výšky pro sedm průřezů (120/120, 120/140, 120/160, …, Průměrná náhodná chyba pro všech 65 měření je ± 62,7 kg/m3. 120/240 mm), kde byla zachována stálá šířka přibližně 120 mm Podle publikované literatury [21] by neměla mít vlhkost vzorku zásadní a výška byla odstupňována cca po 20 mm, a závislost počtu impulzů vliv na měření pomocí radiometrie. Hodnota statistiky pro parametr na změně šířky pro sedm průřezů (120/120, 140/120, 160/120, …, vlhkost je vyšší než 95% horní kvantil rozdělení (tab. 2), což znamená, 240/120 mm). V druhém případě byla stálá výška průřezu přibližně že proměnná ρr,i závisí i na tomto parametru. Ovšem nízká hodnota 120 mm a šířka byla zvyšována opět cca po 20 mm. Závislost mezi statistiky ukazuje na nízkou závislost, navíc vlhkost některých vzorků výškou vzorku a počtem zachycených impulzů je velmi vysoká dosahovala až 35,2 %. Takto vysoký stupeň vlhkosti už má vliv na souu smrku (R = 0,98), borovice (R = 0,99) a modřínu (R = 0,98). U dubu činitel zeslabení, a tedy i měření radiometrickou metodou. (R = 0,37) výrazná závislost nebyla nalezena. Závislost počtu impulzů na šířce vzorku je velmi vysoká pro všechny čtyři druhy dřevin. Koeficient korelace R dosahuje shodně hodnoty 0,99 pro smrk, borovici, modřín i pro dub. Závěr Výsledky experimentů byly dále využity pro odvození vztahu pro Zjišťování objemové hmotnosti pomocí radiometrie se ukázalo jako výpočet objemové hmotnosti na základě měření radiometrií. Tento reálné. Na mnoha měřeních byl prokázán silný vztah mezi objemovou vztah byl odvozen pomocí lineární regrese s více proměnnými. Počet hmotností dřevěných vzorků a rozptylem gama záření. Koeficienty měřených vzorků je dále označován n, počet vysvětlujících proměnkorelace R dosahovaly hodnot 0,94–1,00. Největším problémem při ných k. Vysvětlujícími proměnnými jsou počet zachycených impulzů, tomto postupu se ukázal rozměr vzorků: šířka i výška mají významný výška vzorku, vlhkost vzorku a vzhledem k charakteru závislosti počtu vliv na množství zachyceného záření. Na základě provedených expezachycených impulzů na šířce vzorku i šířka a druhá mocnina šířky. rimentů byly popsány závislosti mezi změnou výšky či šířky prvku Celkový počet měření je 65 (13 průřezů x 5 dřevin). Průřez Koeficient korelace Průřez Koeficient korelace

120/120 0,99 – –

120/140 0,99 120/200 0,99

140/120 1,00 200/120 0,99

120/160 0,99 120/220 0,98

160/120 1,00 220/120 0,99

120/180 0,98 120/240 0,97

180/120 0,99 240/120 0,98

▲ Tab. 1. Koeficienty korelace mezi zachycenými impulzy a objemovou hmotností

Nezávisle proměnná Konstanta [–] Počet impulzů [–] Šířka [mm] Šířka^2 [mm2] Výška [mm] Vlhkost [%]

Odhad parametru βi

Odhad směrodatné odchylky odhadu parametru sβi

Dolní mez odhadu parametru

Horní mez odhadu parametru

Statistika ti

5968,00000 –1,15400 –6,04900 0,01145 0,52400 5,16500

477,00000 0,09200 1,26900 0,00343 0,12700 1,58500

5013,00000 –1,33800 –8,58800 0,00458 0,27000 1,99400

6923,00000 –0,97000 –3,51000 0,01832 0,77800 8,33600

12,510 12,544 4,767 3,334 4,134 3,260

▲ Tab. 2. Přehled statistických veličin


9

a množstvím zachycených impulzů. Dále bylo prokázáno, že vliv vlhkosti je zanedbatelný. Tyto poznatky byly zahrnuty do výsledného vztahu pro výpočet objemové hmotnosti dřeva pomocí radiometrie (3). Koeficient determinace D pro tento vztah dosahuje hodnoty 0,98, což dokazuje, že je vhodný pro výpočet objemové hmotnosti. Při porovnání metod pro zjišťování objemové hmotnosti lze obecně říci, že výhodou radiometrie oproti penetračním metodám je její ryze nedestruktivní charakter a fakt, že neměří pouze lokálně. Korelace naměřených hodnot s objemovou hmotností je výrazně vyšší než u penetračních metod. Nevýhodou radiometrie je nezbytnost nové kalibrace pro každý typ použitého zářiče a velký vliv rozměrů zkoumaného prvku na výsledek. V případě experimentů popsaných v této práci byl použit zářič 137Cs, který představoval nejslabší zářič, jenž byl k dispozici. Lze předpokládat, že při použití slabšího zářiče s větší citlivostí by bylo dosaženo ještě lepších výsledků při určování objemové hmotnosti. I tak bylo ovšem bezesporu prokázáno, že metoda radiometrie je schopna najít uplatnění při nedestruktivním vyšetřování dřevěných zabudovaných prvků. ■ Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. Použitá literatura: [1] Kloiber, M.: Nedestruktivní zjišťování vlastností dřeva. Brno, 2008. Dizertační práce. Mendlova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta. [2] Kotlínová, M.; Kloiber, M.; Vasconcelos, G.; Lourenco, P.B.; Branco, J.: Comparison of Nondestructive and Semi-Destructive Methods Used on Two Types of Wood. In: In-situ Evaluation and Non-destructive Testing of Historic Wood and Mansory Structures. Česká republika, 2006, s. 66–77. ISBN 978-80-86246-36-9. [3] Cavalli, A.; Togni, M.: Combining NDT and Visual Strength Grading to Assess Ancient Timber Beams Stiffness to Evaluate Strengthening Interventions Suitability. In: Proceedings of the 17th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Sopron, 2011, sv. 2, s. 593–601. ISBN 978-963-9883-83-3. [4] ČSN EN 408+A1. Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo a lepené lamelové dřevo – Stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností. Praha: ÚNMZ, 2012. Třídicí znak 731741. [5] Hrivnák, J.; Kloiber, M.; Reinprecht, L.; Tippner, J.: Skúmanie kvality a poškodenia ihličnatého dreva akustickými a mechanicko-odporovými metodami. Zvolen (Slovensko), 2013. ISBN 978-80-228-2552-8. [6] Bartůňková, E.: Non-destructive Tests and Degradation Assessment of Old Chestnut Timber. Portugalsko, 2011. Diplomová práce. University of Minho. [7] Lokaj, A.; Vavrušková, K.: Fyzikální vlastnosti rostlého dřeva získané nedestruktivním zkoušením. Ostrava, 2006. Centre for Integrated Design of Advanced Structures, VŠB – TU Ostrava. [8] Iñiguez-Gonzalez, G.; Llana, D. F.; Montero, M. J.; Hermoso, E.; Esteban, M.; García de Ceca, J. L.; Bobadilla, I.; Mateo, R.; Arriaga, F.: Preliminary Results of a Structural Timber Grading Procedure in Spain Based on Nondestructive Techniques. In: Proceedings 18th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Madison: United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Product Laboratory, 2013, s. 386–395.

10


[9] Arriaga, F.; Esteban, M.; Iñiguez-Gonzalez, G.; Bobadilla, I.; Llana, D. F.; Gonzalez-Sanz, M.: Structural Assessment of the Timber Structure of the Casa Grande Building in the Real Cortijo de San Isidro, Arajuez, Madrid (Spain). In: Proceedings 18th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Madison: United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Product Laboratory, 2013, s. 233–244. [10] Ross, R. J.; Brashaw, B. K.; Wang, X.: Structural Condition Assessment of In-service Wood. Forest Products Jurnal. 2006, roč. 56, č. 6, s. 4–8. ISSN 0015-7473. [11] Drdácký, M.; Kloiber, M.; Kotlínová, M.: Low Invasive Diagnostics of Historic Timber. In: In-situ Evaluation and Non-destructive Testing of Historic Wood and Mansory Structures. Česká republika, 2006, s. 24–40, ISBN 978-80-86246-36-9. [12] Calderoni, C.; De Matteis, G.; Giubileo, C.; Mazzolani, F. M.: Experimental Correlations between Destructive and Non-destructive Tests on Ancient Timber Elements. Engineering Structures. 2010, roč. 32, č. 2, s. 442–448. ISSN 0141-0296. [13] Drdácký, M.; Kloiber, M.: Non-destructive Survey of Historic Timber. In: In-situ Evaluation and Non-destructive Testing Of Historic Wood And Mansory Structures. Česká republika, 2006, s. 8–23. ISBN 978-80-86246-36-9. [14] Mannes, D.; Lahmann, E.; Niemz, P: Tomographic Investigation of Wood from Macroscopic to Microscopic Scale. In: Proceedings of the 15th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 17–23. ISBN 978-1-892529-52-7. [15] Hobst, L.; Adámek, J.; Cikrle, P.; Schmid, P.: Diagnostika stavebních konstrukcí. Brno, 2005. Učební skripta. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. [16] Hobst, L.: Zkušebnictví a technologie – Radiační defektoskopie. Brno, 2001. Učební skripta. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. [17] Markku, T.: Nondestructive Methods for Characterisation Wood. Kuopio (Finland), 2006. Dizertační práce. University of Kuopio, Department of Physics. ISBN 951-27-0455-2. [18] Laufenberg, T. L.: Using Gamma Radiation to Measure Density Gradients in Reconstituted Wood Products. Forest Products Jurnal. 1986, roč. 36, č. 2, s. 59–62. ISSN 0015-7473. [19] Mannes, D.; Lehmann, E.; Cherubini, P.; Niemz, P.: Neutron Imaging Versus Standard X-ray Densitometry as Method to Measure Tree-ring Wood Density. Trees–Structure and function. 2007, roč. 21, č. 6, s. 605–612. ISSN 0931-1890. [20] Macedo, A., Vaz, C. M. P.; Pereira, J. C. D.; Naime, J. M.; Cruvinel, P. E.; Crestana, S.: Wood Density Determination by X- and Gamma-Ray Tomography. Holzforschung. 2002, roč. 56, č. 5, s. 535–540. ISSN 0018-3830. [21] Cai, Z.: A New Method of Determining Moisture Gradient in Wood. Forest Products Jurnal. 2008, roč. 58, č. 7/8, s. 41–45. ISSN 0015-7473. [22] Kuklík, P.; Kuklíková, A.; Gregorová, A.: Metody pro nedestruktivní vyšetřování vlastností konstrukčního dřeva. Časopis Stavebnictví 01-02/15, s. 10–11, ISSN 1802-2030. Autoři: Ing. Jan Pošta, Ph.D. , doc. Dr. Ing. Jakub Dolejš, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov Odborné posouzení: doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D. VŠB – TU Ostrava, Fakulta Stavební

dřevostavby

text Ing. Aleš Vodička, Ing. Pavel Mlejnek, Ph.D., Bc. Marek Maška, Ing. Jan Včelák, Ph.D. | grafické podklady archiv autorů

Systém Moisture Guard pro kontinuální monitoring vlhkosti Dřevo se pro své vlastnosti stalo velmi populárním stavebním materiálem a tak podíl počtu dřevostaveb v celkovém počtu novostaveb rok od roku stále roste. Dřevo má však kromě svých pozitivních vlastností i svá rizika, mezi která patří i často opomíjená vlhkost. Zvýšená vlhkost velmi výrazně ovlivňuje životnost stavby a její zákeřnost spočívá v nemožnosti odhalit ji včas. Skryté úniky menších rozsahů z vodovodních instalací, odpadů, otopných systémů aj. nejsou po dlouhou dobu patrné. Když už se vizuálně projeví, bývá většinou příliš pozdě. Rekonstrukce je pak velmi nákladná. Z tohoto důvodu je důležité monitorovat vlhkost uvnitř konstrukce kontinuálně. Článek popisuje systém senzorů vlhkosti ve dřevě Moisture Guard, který byl vyvinut v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze. Účelem systému je kontinuálně monitorovat stav vlhkosti dřevěné konstrukce budovy a v případě zjištění nepřirozeného nárůstu této vlhkosti informovat uživatele o možném úniku kapaliny. Systém je určen pro zabudování během výstavby na předem vytipovaná kritická místa (koupelny, toalety, kuchyně, technické místnosti a další), kde může docházet k únikům kapalin. Systém se skládá z jedné centrální vyhodnocovací jednotky a několika (cca deseti) jednotlivých senzorů spojených komunikační a napájecí sběrnicí. Díky znalosti umístění jednotlivých senzorů je systém schopen také přibližně lokalizovat místo úniku.

■ Základní technické údaje: – měření: hmotnostní vlhkost dřeva, relativní vlhkost vzduchu, teplota; – napájení: 5 až 16 V DC, < 3 mA při 5 V; – pracovní rozsah: −40 až +85 °C, 0 až 80 % RH (nekondenzující); – komunikační rozhraní: RS-485 & Modbus RTU (konfigurovatelné); – montáž: 2 nerezové vruty (slouží zároveň jako měřicí elektrody); – rozměry: 42 × 28 × 18 mm; – měření odporu: rozsah 0 až 50 GΩ, rozlišení: 2 kΩ; –m ěření hmotnostní vlhkosti: rozsah 7 až 30 % (závislé na materiálu), rozlišení 0,01 %, přesnost ±2 %; –m ěření vzdušné vlhkosti: rozsah 0 až 100 % RH, rozlišení 0,04 % RH, přesnost ±2 % RH (typicky); –m ěření teploty: rozsah −20 až 80 °C, rozlišení 0,01 °C, přesnost ±0,3 °C. Doplňkový senzor HT01485 Tento senzor HT01485 měří relativní vzdušnou vlhkost a teplotu v místech, kde není vyžadováno monitorování vlhkosti masivního materiálu. Tento senzor se používá mimo jiné pro monitorování podmínek v interiéru a exteriéru, což je důležité pro správnou funkčnost detekčního algoritmu a poruch. Senzor se dodává s kabelem v potřebné délce.

Kombinovaný senzor MHT02485 Tento kombinovaný senzor měří absolutní vlhkost masivního materiálu (dřeva), relativní vlhkost navazujícího izolačního materiálu a teplotu. Senzor se skládá z krabičky o dvou dílech, osazené desky plošného spoje a dvou upevňovacích nerezových vrutů, které slouží zároveň jako měřicí elektrody. Senzor se montuje na kabel a umožňuje průběžnou montáž. Tento senzor se umísťuje nejčastěji do zakládacích trámků dřevostavby, kde monitoruje vlhkost trámku, vzdušnou vlhkost izolačního materiálu a teplotu tohoto rozhraní.

■ Základní technické údaje: – měření: relativní vlhkost vzduchu, teplota; – napájení: 5 až 16 V DC, < 3 mA při 5 V; – pracovní rozsah: −40 až +85 °C, 0 až 80 % RH (nekondenzující); – komunikační rozhraní: RS-485 & Modbus RTU (konfigurovatelné); – montáž: volná nebo přidělání vrutem; – rozměry: 60 × 10 × 7 mm; – měření vzdušné vlhkosti: rozsah 0 až 100 % RH, rozlišení 0,04 % RH, přesnost ±2 % RH (typicky); –m ěření teploty: rozsah −20 až 80 °C, rozlišení 0,01 °C, přesnost ±0,3 °C.

▼ Obr. 1. Ukázka instalace senzorů – kombinovaný senzor (vlevo), doplňkový senzor (vpravo)

▼ Obr. 2. Centrální jednotky MGCU_03 (vlevo) a MGCU_04 (vpravo)

Senzory Senzory jsou klíčové pro funkčnost celého systému. Na základě hodnot jimi měřených veličin a jejich vývoje v čase je systém schopen detekovat případné havárie. Systém využívá dva základní druhy senzorů – kombinovaný senzor vlhkosti vázané ve dřevě a doplňkový senzor vzdušné vlhkosti.

stavebnictví 01–02/16 11

Centrální jednotka Systém může být vybaven několika typy centrálních jednotek lišících se doplňkovými funkcemi a cenou. Všechny jednotky jsou vybaveny akustickou i optickou signalizací a relé pro připojení do nadřazeného systému (např. domácí zabezpečo▲ Obr. 3. Ukázka z webové aplikace vací stanice) nebo pro automatické odpojení přívodu vody. Dále mohou být vybaveny LCD displejem pro zobrazení aktuálních hodnot, USB portem pro konfiguraci a vyčítání stavu přes počítač, MicroSD paměťovou kartou pro dlouhodobé ukládání dat, LAN portem pro připojení do sítě internet a vzdálenou správu přes webové rozhraní aj. Všechny jednotky obsahují sofistikovaný detekční algoritmus pro vyhodnocení jak vzdušné vlhkosti, tak i hmotnostní vlhkosti.

Sběr dat a jejich prezentace přes web Pokud je centrální jednotka vybavena LAN rozhraním a je připojena do internetové sítě, lze na vzdáleném serveru sbírat data a ukládat je do databáze. Tato data je možné následně přehledně zobrazit ve webovém prohlížeči a z libovolného místa s připojením na internet zkontrolovat stav budovy včetně její historie.

Kabeláž Senzory komunikují s centrální jednotkou po digitální průmyslové sběrnici RS-485 s komunikačním protokolem Modbus RTU. To umožňuje na jednu sběrnici připojit až 32 senzorů. Velká rozšířenost tohoto komunikačního standardu umožňuje použití senzorového systému s průmyslovými řídicími kontroléry většiny výrobců. Propojení se provádí čtyřvodičovým krouceným kabelem, který obsahuje dva vodiče pro napájení a dva vodiče pro komunikaci.

Rozmístění senzorů v budově Předpokladem funkčnosti celého systému je správné rozmístění senzorů v monitorované budově. Senzory se umísťují do kritických míst s nejvyšším rizikem úniku kapalin, do míst ohrožených zatékáním z okolního terénu, případně do míst, kde hrozí kondenzace vodních par. Typicky jsou to tedy koupelny (toaleta, sprchový kout, vana, umyvadlo, pračka), kuchyně (dřez, myčka), technické místnosti (boiler, kotel), stěny přilehlé terénním vyvýšeninám apod. Dalšími potenciálně nebezpečnými místy mohou být půdní prostory, kde hrozí kondenzace vodních par či zatékání střechou. Pro funkčnost detekčního algoritmu centrální jednotky je nezbytné mít v systému instalovaný senzor vzdušné vlhkosti snímající vlhkost venkovního prostředí a interiéru.

Vyhodnocování dat Algoritmus detekce havárie je velmi komplexní a je založen na několika metodách. První z nich je absolutní hodnota vlhkosti. To znamená, že pokud úroveň vlhkosti v materiálu překročí definovanou úroveň, vyhodnotí se situace jako havárie. Další z vyhodnocovacích metod je časová změna vlhkosti v materiálu a relativní vzdušné vlhkosti. Tento způsob vyhodnocení potlačuje vliv pomalých změn vlhkostí v důsledku změn okolních klimatických podmínek. To znamená, že pokud dojde k rychlému nárůstu vlhkosti, je tato situace detekována jako havárie. Dalším způsobem detekce havárie, respektive přítomnosti zvýšené vlhkosti, je určování trendů změn vlhkosti a teploty a jejich vzájemné porovnávání. Tento princip je založený na fyzice kapalin a plynů a jejich chování při různých teplotách. Díky znalosti stavu jednotlivých senzorů včetně jejich umístění lze přibližně lokalizovat místo havárie. Zkoumáním změn vlhkosti nejen v rámci jednoho senzoru, ale komplexně mezi všemi senzory může být závada odhalena i v místě, kde žádný senzor fyzicky umístěn není.

12 stavebnictví 01–02/16

Závěr Cílem článku je seznámit čtenáře s vyvinutým systémem monitoringu vlhkosti v dřevostavbách Moisture Guard, který byl vyvinut na ČVUT – UCEEB – projekt Evropské unie OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091. V rámci výzkumu byl vytvořen autonomní systém skládající se ze sady (cca deseti) kombinovaných senzorů vlhkosti a centrální vyhodnocovací jednotky. Každý senzor je schopen měřit teplotu, vzdušnou vlhkost a vlhkost vázanou ve dřevě v několika kritických místech budovy. Díky dlouhodobému měření a ukládání historických dat je centrální jednotka schopna odhalit i velmi malé úniky kapaliny, které by pravděpodobně zůstaly velmi dlouho skryty. Ze znalosti umístění senzorů v rámci budovy může řídicí jednotka také částečně lokalizovat polohu nastalé havárie a včas na ni správce budovy upozornit. ■ Použitá literatura: [1] James W. L.: Electric Moisture Meters for Wood, 1988, United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, General Technical Report FPL-GTR-6. Dostupné z: www. fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr06.pdf. [2] Duff J. E.: A Probe for Accurate Determination of Moisture Content of Wood Products in Use, 1966, U.S. Forrest Service Research Note FPL0142. Dostupné z: www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn0142.pdf. [3] Wood Handbook – Wood as an Engineering Material, 2010, U.S. Forrest Service, General Technical Report FPL-GTR-190. Dostupné z: www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf. [4] Makovíny I.: Meranie vlhkosti dreva, Zvolen: Matcentrum, 1995, ISBN 80-967315-0-5. [5] Onysko, D.; Schumacher, Ch.; Garrahan, P.: Field Measurements of Moisture in Building Materials and Assemblies: Pitfalls and Error Assessment, DMO Associates, Building Science Corporation, FPInnovations, Forintek Division, 2008. Dostupné z: c.ymcdn.com/ sites/www.nibs.org/resource/resmgr/BEST/BEST1_M2-5.pdf Autoři: Ing. Aleš Vodička, Ing. Pavel Mlejnek, Ph.D., Bc. Marek Maška Ing. Jan Včelák, Ph.D. ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov Odborné posouzení: doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D. VŠB – TU Ostrava, Fakulta Stavební

JAKÉ BUDOU STAVEBNÍ VELETRHY BRNO A VELETRH MOBITEX?

VĚTŠÍ A LEPŠÍ! Meziroční nárůst Návrat firem,

které se na veletrhu v posledních dvou letech neprezentovaly

počtu přihlášených k datu o 28�% Téměř 45 000

návštěvníků

s aktivním zájmem z celé ČR a zahraničí

Inženýrský den ČKAIT & ČSSI – zahajovací konference na téma

Voda – sucho

MOBITEX přinese konferenci na téma

Více než atraktivní cenové podmínky –

Historické interiéry pro 3. tisíciletí

kompletní účast od 18 500 Kč/4 dny

Dřevo a stavby Brno

20.–23. 4. 2016 Brno–Výstaviště www.bvv.cz/svb www.bvv.cz/mobitex

Hlavní mediální partner

Mezinárodní veletrh nábytku a interiérového designu

VIDĚT

STAVĚT

(ZA)ŽÍT Při srovnání s ostatními možnostmi prezentace je veletrh o: •

téměř 45 000 návštěvnících

– potenciálních klientech během 4 dnů konání;

•

aktivitě návštěvníků – mají zájem, sami aktivně vyhledávají informace;

•

živé a bezprostřední komunikaci s návštěvníky; zážitcích – zapíšete se tak více do paměti; nových kontaktech a zajímavých informacích; publicitě, kterou svojí účastí můžete získat.

• • •

Lákavý doprovodný program pro návštěvníky Odborníky nadchne: • Inženýrský den ČKAIT & ČSSI; • zahajovací konference na téma Voda – sucho; • historické interiéry pro 3. tisíciletí; • seminář BIM v praxi; • nové materiály a technologie ve stavebnictví; • prezentace významných regionálních developerů pod patronací SPS v Jihomoravském kraji. Širší veřejnost nalákají: • novinky Vás, vystavovatelů; • možnosti dotací na rekonstrukci bydlení a tzv. kotlíkové dotace;

• • • •

pitná voda pro rodinné domy, byty a zahrady; Jak správně zvolit vhodné osvětlení v pavilonu M; ukázky různých druhů zahrad; bezplatné odborné poradenství.

Vyberte si svoje místo v pavilonu P nebo F Neváhejte a přihlaste se co nejdříve – dřívější přihlášení na veletrh tedy přináší větší možnost výběru plochy, od které se odvíjí také její cena!

VSTUPNÍ PROSTOR

Pavilon P

Pavilon Z

Pavilon F Legenda: Zóna A Zóna B Zóna C Zóna VP

2 070 Kč/m2* 1 725 Kč/m2 1 380 Kč/m2 1 035 Kč/m2

*) Za podmínky minimální plochy 50 m2. Uvedené ceny jsou platné pro rok 2016 a jsou bez DPH. Přesná specifikace a umístění zón bude součástí přihláškové dokumentace.

Pavilon P – 10 000 metrů výstavní plochy, dříve využívané haly V a F

V roce 2010 stál m2 výstavní plochy 3 190 Kč, v roce 2016 je cena od 1 380 Kč!

Stále ještě váháte s účastí? Podívejte se na několik názorů tradičních vystavovatelů a výsledky minulého ročníku! Ing. Pavel Křeček, předseda ČKAIT Ve stavebním sektoru je po mnoha letech patrný mírný optimismus, jsem velmi rád, že se tato situace promítla i do letošního stavebního veletrhu IBF. Stavební veletrh v Brně byl a je místem, kde firmy představovaly své novinky, technická i technologická zlepšení. Nejinak tomu bylo i v letošním roce. Věřím, že rok 2015 se stal bodem obratu k lepšímu.

Helena Prokopová, cechmistr, Cech čalouníků a dekoratérů Mobitex byl letos velmi pěkný a ucelený, doprovodné výstavy pak jeho úroveň ještě pozvedly, stejně jako ojedinělý systém přednášek v rámci doprovodného programu. Na veletrh přicházejí lidé, kteří hledají kvalitu a chtějí se o výrobku co nejvíce dozvědět.

Eva Dutková, ABB s.r.o., Elektro-Praha Na veletrh IBF jezdíme velice rádi, jsme pravidelnými vystavovateli. Letos opět přišlo jak hodně koncových zákazníků, tak jsme měli i spoustu obchodních schůzek, firma byla spokojena, návštěvnost byla velmi dobrá.

René Švancer, HELUZ cihlářský průmysl Do Brna musíme jezdit, neboť dáváme klientům i konkurenci ve známost, že existujeme a prosperujeme, Stavební veletrh je pro nás prestižní akcí, můžeme zde rozšiřovat povědomí lidí o nových materiálech, což je pro firmu velmi důležité.

Zdeněk Hendrich, Jaroslav Cankař a syn Atmos

Milan Chalcař, RD Rýmařov – středisko KASARD Přišlo k nám dostatek zákazníků, navázali jsme řadu nových kontaktů. Firma byla se svou účastí na letošním ročníku stavebních veletrhů spokojena. Zdá se, že lidé už začali znovu stavět a rekonstruovat své bydlení.

Michal Šopík, VESPER FRAMES Veletrh IBF je pro naši firmu vždy přínosem. Byli jsme tu již posedmé a nikdy se nestalo, že bychom neměli dostatek zájemců. Chodí koneční klienti, architekti a další zájemci o vystavené produkty.

Jaroslav Frantál, Böhm – český nábytek Na veletrhu v Brně nesmíme chybět, neboť nás nenavštěvují pouze noví klienti, ale vrací se k nám staří zákazníci. Zveme si také naše partnery, výstaviště je vynikající místo k obchodním schůzkám.

Tomáš Jelínek, JELÍNEK – výroba nábytku Veletrhu MOBITEX se účastníme každý rok, jsme tradičními vystavovateli. Vždy tu navážeme řadu nových kontaktů. Letos jsme uzavřeli mnoho objednávek přímo na vystavené výrobky.

René Cígler, Kuchyňské studio Schmidt Do naší expozice přišlo dostatek návštěvníků nejen z Brna a okolí, ale z celé republiky. Jsme stálými vystavovateli a zatím se nikdy nestalo, aby se nám tato akce ekonomicky nevyplatila.

Letošní veletrh IBF splnil cíl firmy, předali jsme své informace řadě zákazníků, což jsou především odborné topenářské firmy. Na tomto veletrhu jsme vůbec neměli nouzi o zákazníky, jsme spokojeni, neboť v expozici bylo stále plno a o to právě firmě šlo.

OHLÉDNUTÍ za Stavebními veletrhy Brno a veletrhem MOBITEX 2015*

Potřebujete doplnit další informace? Neváhejte, jsme tu pro Vás! Ředitel veletrhů Ing. Radim Tichý 541 152 888 [email protected]

Počet firem

769 z 20 zemí světa

Čistá výstavní plocha

19 630 m

Počet návštěvníků

44 318 návštěvníků z 30 zemí světa

2

* Společná statistická data Stavebních veletrhů Brno a souběžně konaných veletrhů DSB – Dřevo a stavby Brno, MOBITEX a Veletrh Ptáček.

Stavební veletrhy Brno Jitka Bendová 541 152 546, [email protected]

veletrh MOBITEX René Jurčík 541 152 997, [email protected]

Simona Křečková 541 152 585, [email protected]

Více informací naleznete na www.bvv.cz/svb

dřevostavby

text Ing. Richard Zelený a kolektiv autorů | grafické podklady archiv autorů

Optovláknové senzory jako nový způsob monitorování a diagnostiky dřevostaveb Článek se zabývá systémem optovláknových senzorů pro monitorování a diagnostiku mechanického namáhání nosníků z lepeného lamelového dřeva. Správná funkce navrženého systému byla ověřena pomocí mechanických zkoušek vzorků dřevěných nosníků s optovláknovými senzory vlepenými mezi jednotlivé dřevěné lamely. Zkoumané vzorky vykazují malou relativní chybu a umožňují kompenzovat okolní environmentální vlivy na měřené veličiny. Navržený systém slibuje budoucí použití v dřevostavbách, kde na základě měření umožní automatické varování obsluhy v případě přetížení nosné konstrukce.

Úvod Dřevostavby jsou v současné době velmi populární pro jejich energetickou úspornost, rychlou výstavbu a přijatelnou cenu, jsou však více náchylné na změny environmentálních parametrů než klasické stavby z oceli, cihel nebo betonu. Například dřevěný lepený nosník může být navržen v prostředí, kde relativní vlhkost vzduchu přesahuje 85 % pouze několik dní v roce [1]. Při překročení této hodnoty může dojít ke snížení jeho pevnosti, napadení materiálu dřevokaznými houbami či škůdci a v krajním případě i k jeho destrukci. U lepených dřevěných nosníků navíc může docházet k delaminaci a následnému snížení únosnosti konstrukce. Nejedná se pouze o přírodní vlivy, které mohou způsobit poškození dřevěné konstrukce, což může vést až ke katastrofálním následkům, ale také například o neodborně provedené zásahy, jakými může být např. zavěšení dalších stavebních prvků na již zhotovenou konstrukci. To otevírá nový prostor pro monitorování a diagnostiku celé konstrukce nebo alespoň prvků, které jsou nejvíce namáhány. Klíčové je to zejména při výstavbě velkých hal, jejichž dřevěná konstrukce je vystavena vysoké vzdušné vlhkosti, jako v případě zimních nebo plaveckých stadionů, dále pak u konstrukcí plochých střech, u nichž může velká vrstva napadaného sněhu způsobit náhlé přetížení některého z nosných prvků. Monitorovat takovou konstrukci lze pomocí optických nebo elektrických odporových senzorů zabudovaných vně nebo fixovaných na povrchu nosných částí. Vložením optických senzorů do lepené dřevěné struktury a jejich ochranou před poškozením se zabývá J. Wacker a kol. [2]. T. H. Jang a kol. [3] využili naproti tomu elektrické senzory nalepené na dřevěné lamely pro vyhodnocení modulu pružnosti lamel japonského cedru. Na základě předpokládaného zatížení a materiálových charakteristik použitého řeziva je pro monitorované konstrukce možné analyticky stanovit limitní hodnoty poměrného přetvoření. Pokud systém zaznamená překročení těchto hodnot, je automaticky zalarmována obsluha, jež provede kontrolu a případnou nápravu. Naměřené hodnoty mohou být

dále použity pro predikci životnosti celé stavby, nebo jako doporučení pro stavby budoucí. V článku se autoři zabývají zkoumáním optických vláknových senzorů umístěných do vzorků lepených dřevěných nosníků a následným měřením jejich poměrného prodloužení v závislosti na působícím mechanickém namáhání. V první fázi se zkoumala mikrostruktura vzorků v místě lepené spáry a optického vlákna. V druhé fázi byly realizovány čtyřbodové ohybové zkoušky čtyř kusů dřevěných nosníků se zabudovanými vlákny s FBG snímači. Získané hodnoty poměrných přetvoření se ověřily pomocí fóliových odporových tenzometrů a výpočetní metody vycházející ze závislosti poměrných přetvoření na mechanickém napětí a modulu pružnosti materiálu.

Lepené lamelové dřevo Lepené lamelové dřevo se používá pro nosné konstrukce staveb domů, hal a mostů od konce 19. století [4]. Výsledný nosník je tvořen dřevěnými lamelami, vzájemně slepenými tak, aby měl požadovaný tvar a nosnost. Charakter lepeného lamelového dřeva slibuje umístění senzorů do jeho struktury již během výroby, čímž odpadá dodatečná externí montáž senzorů, která je zpravidla dražší a časově náročnější. Navíc externí senzory jsou nejenom náchylnější na mechanické poškození, ale také nejsou odolné vůči okolnímu prostředí, což negativně ovlivňuje měřené veličiny.

Vyhodnocení lepené spáry pomocí mikroskopu Pro zjištění, zdali je možné vlepit optické vlákno mezi dřevěné lamely, byly zkoumány vrstvy lepidla mezi lamelami pomocí mikroskopu, jak je uvedeno na obr. 1. K tomuto se využily dvě série po čtyřech vzorcích od dvou nejvýznamnějších výrobců lepených dřevěných konstrukcí v ČR. Měření ukázala velký rozptyl lepené spáry od 26,22 µm do 178,73 µm. Ukázka lepené spáry je zobrazena na obr. 2. Vzhledem k průměru optického vlákna přibližně 250 µm bylo třeba přejít ke zkoumání lepených spár vzorků již se zabudovaným vláknem a tím ověřit, zdali nedojde k poškození optického vlákna během výrobního procesu, kde kritickou fází je zejména stlačování lepených lamel pod tlakem 0,4–1,2 MPa. ▼ Obr. 1. Vyhodnocení lepené spáry pomocí mikroskopu


17

ho analyzátoru a počítače. Interogační jednotka je ve své podstatě spektrálním analyzátorem, který v naměřeném spektru odraženého světla detekuje vlnové délky jednotlivých FBG senzorů. Existují i jiné způsoby měření odrážené vlnové délky. Jedním z těchto způsobů je skenování spektra pomocí přeladitelného laseru nebo optického filtru a následná detekce výkonu dopadajícího na fotodiodu. Nicméně je techno▲ Obr. 2. Struktura dřeva v oblasti spáry ▲ Obr. 3. Optické vlákno osazené v lepené spáře logicky velmi náročné postavit přeladitelný laser nebo filtr v optickém pásmu širším než několik nanometrů. Pro aplikaci je nutné, aby FBG byly od sebe vlnově Ověření lepených spár vzdáleny alespoň pět nanometrů, aby bylo možné bezpečně rozlišit se zabudovanými vlákny signály od jednotlivých senzorů i při maximálním možném zatížení. Cílem této fáze výzkumu bylo ověřit, zda nedojde k deformaci FBG snímače byly do jednotky připojeny pomocí přivařených optického vlákna vlivem lisování dřevěných lamel po nanesepigtailů s konektory typu FC/APC. Vzorkovací frekvence měřeného ní lepidla. Pro tento účel byly vyrobeny čtyři vzorky rozměru signálu byla nastavena na hodnotu 2 Hz. Jednotkou naměřené 100 × 60 × 600 mm tvořené dvěma lamelami tloušťky 30 mm, Braggovy vlnové délky λB byly poté přepočteny na poměrná přetvoření ελ pro jednotlivé FBG senzory pomocí rovnice (1): mezi něž bylo vlepeno optické vlákno. Po zalisování se nejprve měřil útlum vlákna, který byl zanedbatelný, a následně byly vzorky příčně nařezány a umístěny pod mikroskop. ∆λ B ελ = (1) Jeden ze vzorků je v řezu zobrazen na obr. 3. Z měření útlumů λ B ⋅ (1 − Pe ) i zobrazení mikrostruktury lepené spáry s vláknem bylo ověřeno, kde: že při zalisování jsou optická vlákna zatlačena do struktury dřeva ΔλB rozdíl Braggovy vlnové délky před zatížením a po něm; a nedojde k jejich poškození vlivem lisování. Na základě těchto Pe elasto-optická konstanta, která je v případě vlákna dopovaného poznatků se přistoupilo k výrobě vzorků dřevěných nosníků s vlegermaniem a Braggovy vlnové délky 1550 nm přibližně rovna 0,22. penými optickými vlákny s Braggovými mřížkami. Do každého ze čtyřech vzorků tvořeného čtyřmi lepenými lamelami s rozměry Při natažení nebo zkrácení mřížky dochází ke změně periody mřížky 80 × 15 × 1000 mm byly vloženy dvě vláknové mřížky, jedna do a následné změně vlnové délky, která je mřížkou odrážena. podélné osy mezi dvě horní lamely a druhá mezi dvě spodní lamely.

Měřicí a výpočetní postupy

Optické vláknové snímače Pro výrobu FBG mřížek se nejčastěji používá jednovidové vlákno velmi podobné těm, které se běžně používají v telekomunikacích. Nicméně toto vlákno je silněji dopováno germaniem v jádře pro zvýšení fotocitlovosti. Díky fotocitlivosti dojde po aplikaci ultrafialového záření u osvícených oblastí k nevratné změně indexu lomu jádra. Mřížka, od které se odráží úzká část spektra, je vyrobena

Měřicí pracoviště optických vláken Poměrné přetvoření zatěžovaného vzorku dřevěného nosníku bylo měřeno podle blokového zapojení, které je uvedeno na obr. 4. (Poznámka autora: velikost jednotlivých bloků nerespektuje reálné rozměry.) Širokospektrální laserový zdroj generuje optické záření, které se přes cirkulátor šíří pomocí opticMěřící jednotka kých vláken přes Braggovy mřížky (FBG) až na konektor FC/APC, Spektrální Laserový analyzátor Cirkulátor zdroj který je zakrytý a brání šíření optického záření ven z vlákna. Část spektra záření šířící se zmíněnou soustavou je mřížkami odražena a šíří se zpět optickými vlákny Optické vlákno do cirkulátoru, kde se již nevrací do zdroje záření, ale dopadá na Mini PC spektrální analyzátor interogační jednotky. Pro záznam a vyhodnocení dat Internet z Braggových mřížek byla použita interogační jednotka, ve které jsou odražené vlnové délky vyhodnoceny pomocí spektrální▲ Obr. 4. Uspořádání měřicího pracoviště

18


Konektor FC/APC Lamela

Adaptér Podpora

FBG

Zatížení hydraulickým lisem

periodickým osvícením oblastí skrz masku nebo pomocí interference záření dvou laserů. Do měřených vzorků byla vložena vlákna s FBG senzory, které pracují na různých vlnových délkách okolo 1550 nm. Vlákna byla umístěna do předem připravených drážek hloubky přibližně 2 mm a šířky 3 mm a následně fixována sekundovým lepidlem. Tyto drážky umožňovaly snadnější fixaci vláken při jejich osazování a dále je chránily před výrazným otlačením od přiléhajících dřevěných lamel v průběhu lisování. Příklad zakončení slepeného vzorku nosníku s osazenými senzory a konektory je zobrazen na obr. 5. Měřicí ústředna pro zaznamenání dat z odporových tenzometrů Pro měření odporových tenzometrů byla použita jednotka NI cRIO 9075 s měřicí ústřednou NI 9219. Výhodou jednotky je přímé měření odporu, které nepotřebuje externí napájení ani měřicí můstek. Jednotku lze připojit do lokální sítě, nebo přímo k počítači. Záznam dat z odporových tenzometrů probíhal pomocí programu LabVIEW, který jednotku ovládal podle naprogramovaného kódu. Odpory tenzometrů byly měřeny ve stejném časovém intervalu 2 Hz. Program v LabVIEW byl společný pro měření odporů i vlnových délek. Odporové tenzometry Odporové tenzometry byly použity k měření mechanického napětí prostřednictvím jejich deformace. Důvodem jejich výběru pro porovnání s optickými vlákny je jejich vysoká mechanická odolnost a rozlišení až v řádu desítek mikrometrů. Měření pomocí tenzometrů je také ověřeno desetiletým užíváním, navíc jsou tenzometry kalibrovány Použité odporové tenzometry tvoří kovová mřížka, zaplňující většinu plochy tenzometru. Princip odporového tenzometru je založen na tzv. piezorezistivním jevu, kde mechanickým namáháním dochází ke změně elektrického odporu, délky a průřezu vodiče. Při namáhání v tahu se odpor zvyšuje, při namáhání v tlaku se snižuje. Pro měření jednoho nosníku byly použity dva odporové tenzometry HBM 1-LY11-10/350 umístěné do lepených vrstev. Jeden odporový tenzometr byl vlepen do spodní lepené spáry pro snímání tahové deformace a druhý do vrchní spáry pro snímání tlaku, podobně jako v případě optického vlákna. Tenzometry byly před spojováním jednotlivých vrstev nalepeny na příslušné dřevěné vzorky pomocí lepidla HBM X60, obr. 6. Spolu s tenzometry jsou lepidlem X60 zalepeny i přívodní drátky, aby nemohlo dojít při následné manipulaci k jejich zkratování. Pro přívodní drátky byly vytvořeny speciální drážky zabraňující mechanickému namáhání pájeného spoje. Namáhání pájených spojů by nejenom ovlivnilo měření, ale také by je mohlo poškodit. Ve zbytku drážky jsou drátky bodově fixovány sekundovým lepidlem pro jejich dostatečné uchycení. Tenzometry jsou umístěny ve vzdálenosti 100 mm od středu rozpětí vzorku, aby nedocházelo k vzájemnému ovlivnění měření vláknové mřížky a odporového tenzometru. Výpočet poměrného prodloužení u odporového tenzometru je dán vztahem (2). ▼ Obr. 6. Instalace odporového tenzometru

ελ =

∆λB λB ⋅ (1 − Pe )

▲ Obr. 5. Vlákna vystupující z nosníku, zakončená konektorem FC/APC

εR =

R − R0 k⋅R

(2)

kde: ∆λB ε λε = poměrné prodloužení tenzometru; R λB ⋅ (1 − Pe ) R měřený odpor tenzometru; σ x = E ⋅εx odpor tenzometru; R0 počáteční k deformační citlivost. ∆výpočetní λB Analytický postup ελ = 1  λ ⋅ −⋅ PLe 2)  ⋅ z 1 Prostanovení poměrného přetvoření v průřezu zkoumaného dřevěnéRB −m( R F ⋅ a + 0  vz 8 vycházet ε R = lze  z teorie lineárně(4) pružného materiálu a závislosti k⋅R σ xho= vzorku 1 normálového na poměrném přetvoření, které je matematicky h3 ⋅ b ⋅napětí 12 uvedeno v rovnici (3):

(3) σ x = E ⋅ ε x R 1− R0 2 (εFR⋅ = a + mvz ⋅ L ) ⋅ z k8⋅ R kde:ε x = 1 σx normálovéEnapětí ⋅ ⋅ b ⋅[MPa]; h3 12 ∆ λ B pružnosti [MPa], stanovený na základě vyhodno1 modul ε λE = Youngův 2 + Pem ⋅ ⋅(a1 − ) vz ⋅ L  ⋅ z v závislosti na působící síle podle [5]; ceníλBFpřírůstků 8 deformace (4) σ xε = poměrné σ = E ⋅εx [–]. 1 x přetvoření x ⋅ b ⋅ h3 12

Normálové napětí σx bylo stanoveno ze vztahu (4):

1  2 RF−⋅ aR+ 1mvz ⋅ L 2 ⋅ z (4) εσRx == ( F ⋅ a 0+88 mvz ⋅ L) ⋅ z (4) εx = k ⋅ R 1 ⋅1b ⋅ h3 3 E12⋅ ⋅ b ⋅ h 12 kde: F síla působící na nosník [kN]; σ x = E ⋅ ε x působící1 síly od2 podpory [m]; a vzdálenost ( F ⋅ a + mvz ⋅ L ) ⋅ z vzorku [kN/m]; mvz příspěvek 8 ε x =vlastní hmotnosti 1 3 L rozpětí vzorku [m]; E ⋅ ⋅b⋅h z vzdálenost od těžiště12průřezu k lepené spáře s osazenými snímači [m]; 1 b šířka vzorku [m]; 2  F ⋅ a + mvz ⋅ L  ⋅ z 8  (4) σ h = výška vzorku [m]. x

1

⋅ b ⋅ h3

Výsledné12poměrné přetvoření (prodloužení) v lepené spáře lze stanovit ze vztahu (5): 1 ( F ⋅ a + mvz ⋅ L2 ) ⋅ z 8 εx = 1 E ⋅ ⋅ b ⋅ h3 12

(5)


19

#10

-4

0 (-)

8 7 6 5 4 3 2

FBG 1550 nm spodní FBG 1530 nm horní

1 0

0

1

2

3 4 5 Síla F (kN)

6

7

▲ Obr. 7. Průběh ohybové zkoušky

8

▲ Obr. 8. Naměřené a vypočtené hodnoty poměrného přetvoření pro FBG senzory v závislosti na působící síle

#10

-4

0 (-)

8 7 6 5 4 3 2

Tenzometr spodní Tenzometr horní

1 0

0

1

2

3 4 5 Síla F (kN)

6

7

8

▲ Obr. 9. Naměřené a vypočtené hodnoty poměrného přetvoření pro tenzometry v závislosti na působící síle

Relativní chyba / (%)

10

FBG 1550 nm spodní Tenzometr spodní FBG 1530 nm horní Kompenzace

8 6 4 2 0

0

1

2

3 4 5 Síla F (kN)

6

7

8

▲ Obr. 10. Relativní chyba měření pro spodní, horní FBG senzor a pro kompenzaci

20


Výsledky Vyrobené vzorky dřevěných nosníků s osazenými snímači byly pro ověření funkčnosti navrženého systému podrobeny čtyřbodové ohybové zkoušce, viz obr. 7. Zatěžovací postup podle [5] byl zvolen z důvodu stanovení modulu pružnosti dřeva, potřebného pro analytické posouzení. Zatěžovací síla působící na zkoumané vzorky byla lineárně zvyšována rychlostí 0,03 kN/sec. Po dosažení 40 % odhadované maximální únosnosti zkoumaných vzorků byly vzorky odtěžovány až do dosažení nulové hodnoty působící síly. Jeden ze vzorků byl zatěžován do porušení z důvodu ověření dostatečného měřicího rozsahu vlepeného optického vlákna. V okamžiku destrukce dřevěného vzorku bylo naměřeno poměrné přetvoření přibližně 2,5·10 -3, což znamená prodloužení o 2,5 mm na jednom metru délky. Výrobce udává maximální poměrné přetvoření FBG senzoru až 1·10 -2. V průběhu měření byla zaznamenávána odrážející se vlnová délka spodního i vrchního FBG senzoru spolu s působící sílou. Podle vztahu (4) bylo z naměřených hodnot vlnových délek vypočteno poměrné přetvoření a následně porovnáno s analyticky získanými hodnotami podle vztahu (5). U horní vláknové mřížky dochází při zatížení ke zmenšení periody Braggovy mřížky, zatímco u spodní mřížky nastává opačný jev, tedy perioda se ze zatížením zvyšuje. Toto chování může být výhodně využito pro kompenzaci okolních jevů, které ovlivňují měření, jako například změna teploty nebo vlhkosti. U obou mřížek totiž narůstá perioda při zvýšení teploty a vlhkosti. Pokud je tedy vyhodnocen rozdíl naměřených vlnových délek odrážených mřížkami, lze tyto jevy kompenzovat. Změřené poměrné přetvoření jako funkce působící síly je pro obě vláknové mřížky a tenzometry spolu s vypočtenými hodnotami vyneseno na obr. 8 a obr. 9. (Poznámka autora: naměřené hodnoty poměrných přetvoření platí pouze pro zkoumané vzorky uvedených rozměrů. Jelikož jsou vypočtené hodnoty přímo úměrné působící síle, je tento průběh lineární.) Z obr. 8 je patrné, že při zatěžování vypočtené hodnoty téměř kopírují naměřené hodnoty, a to zejména pro horní FBG senzor. Při odtěžování docházelo k větším odchylkám od naměřených hodnot. Tento jev může být způsoben nevratnou deformací, která vznikla při zatížení zkoumaného vzorku na požadovanou mez. Podobné průběhy lze pozorovat i pro měření odporovými tenzometry na obr. 9. Nicméně tenzometr umístěný mezi horními lamelami je zatížen mnohonásobně vyšší chybou než tenzometr umístěný ve spodní části. Pro získání informace o přesnosti měření pomocí vláknových mřížek byla vypočtena relativní chyba měření vůči analyticky vypočteným hodnotám. Tato chyba je pro různé působící síly vynesena na obr. 10. Pro lepší názornost na obrázku není uveden průběh pro horní tenzometr, jehož naměřené hodnoty vykazují chybu větší než 40 %. Vzhledem k této chybě také není vyhodnocena kompenzace pomocí dvou paralelně pracujících tenzometrů.

Graf na obr. 10 ukazuje malou relativní chybu měření při zatížení, zejména při použití obou vláknových mřížek kompenzujících okolní vliv. Při odtěžování vzorku je relativní chyba měření až 18 % vůči analyticky získaným hodnotám.

Závěr Měření a testování vzorků potvrdilo hypotézu možné integrace vláknových snímačů do lepených dřevěných nosníků. Jejich přítomnost lze využít pro monitorování a diagnostiku deformací stavebních prvků budov. Naměřené hodnoty pro zatěžování nosníku se lišily o méně než 10 % oproti analytickému výpočtu. Při odtěžování nosníku byly hodnoty relativních chyb od naměřených hodnot vyšší, což je pravděpodobně způsobeno trvalou deformací, kterou způsobilo prvotní zatížení nosníku. Při kompenzaci okolních jevů pomocí vyhodnocení rozdílu naměřených hodnot obou vláknových mřížek byla relativní chyba měření nižší než 3 %. Při osazení měřeného nosníku v prostředí s okolní teplotou a vlhkostí proměnnou v čase je možné s výhodou tento jev kompenzovat použitím dvou vláknových mřížek mezi dvěma spodními a dvěma horními lamelami. V současné době se tento systém využívá v pilotní instalaci objektu firmy AKTIVIT, spol. s r.o., v Novém Boru. ■ Použitá literatura: [1] Havířová, Z.; Kubů, P.: Stavby 21. století – stavby ze dřeva (IX), TZB-info.cz, listopad 2005. [2] Wacker J.; Deza, U.; Phares B. M.; Wipf T. J.: Development of a Smart Timber Bridge Girder WITH Fiber Optic Sensors. Procee-

dings of the International Conference on Timber Bridges, Lillehammer, Norway, 2010. [3] Yang, T. H.; Wang, S. Y.; Lin, CH. J.; Tsai, M. J.; Lin, F. CH.: Effect of Laminate Configuration on the Modulus of Elasticity of Glulam Evaluated Using a Strain Gauge Method, Journal of Wood Science, 53 (1): 31–39, 2007 [4] Anshari, B.; Guan, Z. W.; Komatsu, K.; Kitamori, A.; Jung, K.: Explore Novel Ways to Strengthen Glulam Beams by Using Compressed Japanese Cedar. 11th World Conference on Timber Engineering, Riva del Garda, 2010. [5] Č SN EN 408 Dřevěné konstrukce. Konstrukční dřevo a lepené lamelové dřevo. Stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností, čl. 10. Český normalizační institut, Praha, 2012. Poděkování Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu TAČR-CK TE02000202 Advanced Sensors a projektu Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. Autoři: Ing. Richard Zelený, Ing. Lukáš Velebil, Ing. Jan Včelák, Ph.D. doc. Ing. Petr Kuklík, CSc., Ing. Monika Terebesyová, Ph.D. ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov Ing. Milan Dvořák, Ph.D., Ing. Ladislav Šašek, CSc. SAFIBRA, s.r.o. Odborné posouzení: doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D. VŠB – TU Ostrava, Fakulta Stavební

inzerce

CERTIFIKOVANÉ DŘEVOSTAVBY A DŘEVĚNÉ KONSTRUKCE HAAS FERTIGBAU rodinné domy mateřské školy dřevěné konstrukce

ZVEME VÁS NA NEJVĚTŠÍ VELETRH DŘEVĚNÝCH STAVEB V ČR www.Haas-Fertigbau.cz

4. – 7. 2. 2016 Výstaviště Praha-Holešovice Expozice Haas Fertigbau: PK 33


21

dřevostavby

text Ing. Lukáš Velebil, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. | grafické podklady archiv autorů

Mechanicky spojované křížem vrstvené dřevo Panely z křížem vrstveného dřeva (CLT) tvoří deskový prvek složený obvykle z lichého počtu vzájemně kolmo orientovaných vrstev. Tuhost a únosnost panelů je významně závislá na tuhosti spojení mezi jednotlivými vrstvami. Nejúčinnějším způsobem spojení vrstev je lepení, které ovšem není vždy nejvhodnějším řešením. Alternativou lepícího procesu je využití mechanických spojovacích prostředků kolíkového typu. V důsledku kolmé orientace vrstev lamel a jejich plošného spojení pomocí mechanických spojovacích prostředků dochází k odlišnému chování a jiným pevnostním a tuhostním vlastnostem, než předpokládají současné návrhové přístupy. Pro ověření skutečného chování panelů z mechanicky spojovaného CLT byly provedeny zkoušky vzpěrné a výztužné únosnosti a zkoušky ohybové tuhosti stropních panelů, jejichž výsledky jsou prezentovány v tomto článku. Výroba mechanicky spojovaných panelů Základní surovinu pro výrobu panelů tvoří hoblovaná prkna (tzv. lamely) tloušťky 27 mm a šířky od 100 do 170 mm. Tyto lamely se uměle vysuší na vlhkost 12 % ±2 % a strojně či vizuálně roztřídí do příslušných pevnostních tříd. Panely jsou nejčastěji složeny ze smrkového dřeva třídy pevnosti C24. Sestavování panelů do požadovaného tvaru a finální opracování včetně vytvoření všech otvorů probíhá na automatizovaném CNC obráběcím centru. Toto zařízení umožňuje snadno a rychle prošroubovat všechny vrstvy v požadovaných roztečích. Jednotlivá prkna mechanicky spojovaných panelů jsou skládána do vrstev s bočními hranami spojenými na sraz. Vrstvy jsou na sebe ukládány tak, aby jejich směr byl navzájem kolmý. Následuje aplikace mechanických spojovacích prostředků, které jsou osazeny v místech křížení jednotlivých lamel. Při použití této technologie výroby nevznikají, na rozdíl od lepených panelů, nadbytečné prořezy ani odpady. Rozmístění a počet spojovacích prostředků je dán statickými požadavky, současně se však také musí dodržet požadavky na minimální rozteče spojovacích prostředků. Zkoušené stěnové panely, jejichž výsledky jsou prezentovány v tomto článku, byly spojovány pomocí dvojice pozinkovaných celozávitových vrutů 5 × 80 mm, osazených v každém křížení lamel. U třívrstvých panelů vruty procházely příčně všemi vrstvami, u pa-

22


nelů pětivrstvých byly nejprve první sadou vrutů propojeny první tři vrstvy a následně druhou sadou vrutů připojeny dvě zbývající vrstvy. Pro stropní panely je oproti stěnovým panelům zvoleno odlišné uspořádání lamel. Panely byly tvořeny čtyřmi podélnými vrstvami orientovanými rovnoběžně se směrem rozpětí panelu a jednou vrstvou orientovanou příčně. Pro spojení vrstev bylo využito dvou sad vrutů se čtyřmi vruty na každé křížení lamel.

Statická únosnost stěnových panelů V rámci experimentálního programu byly provedeny zatěžovací zkoušky pro stanovení vzpěrné a výztužné únosnosti stěnových panelů. Vzpěrná únosnost Pro stanovení vzpěrné únosnosti třívrstvých a pětivrstvých stěnových panelů byly použity zkušební série se třemi identickými vzorky rozměru 1000 × 2200 mm [1]. Využití aktuálně dostupného hydraulického lisu ukotveného v ocelovém rámu umožnilo zkoušení stěn o výšce pouze 2200 mm, viz obr. 1. ▼ Obr. 1. Měření vzpěrné únosnosti stěnových panelů

Panely byly zakotveny v patě ocelovými patkami. Zatěžování probíhalo kontinuálně rovnoměrnou rychlostí 50 kN/min až do ztráty stability a do dřevěného panelu se přenášelo přes ocelový roznášecí profil IPE. Záznamy měření průběhu tlakové síly v závislosti na čase jsou zobrazeny na obr. 2 a obr. 3. Experimentálně dosažené hodnoty vzpěrné únosnosti jsou shrnuty v tab. 1. Třívrstvý panel Vzorek 3s – 1 3s – 2 3s – 3 Pětivrstvý panel Vzorek 5s – 1 5s – 2 5s – 3

Fmax [kN] 280,67 250,86 238,83

Fmax [kN] 437,44 360,54 445,61

F0,05,k [kN] 197,27

F0,05,k [kN] 285,56

▲ Obr. 2. Průběh zkoušky vzpěrné únosnosti třívrstvých stěnových panelů

▲ Tab. 1. Vzpěrná únosnost pro výšku panelu 2200 mm

Při běžném použití panelů v konstrukcích jsou rozhodující vzpěrné délky mezi 2,3 a 3,3 m. Přepočet charakteristických hodnot pro tyto vzpěrné délky byl následně proveden na základě Eulerova kritického břemena. Hodnoty vzpěrné únosnosti získané z experimentu lze stanovit analytickým výpočtem s uvážením efektivní ohybové tuhosti panelu podle informativní přílohy B normy ČSN EN 1995 -1-1 [2]. Tato zjednodušená výpočetní metoda (tzv. gama metoda) vychází z diferenciální rovnice elastického spřažení. Pro návrh jsou uvažovány pouze vrstvy lamel orientované ve směru vertikálního zatížení, ohybová tuhost horizontálních vrstev lamel je ve výpočtu zanedbána. Po stanovení součinitele poddajnosti spojení γi, materiálových charakteristik a geometrických charakteristik průřezu lze určit účinnou ohybovou tuhost EIef ze vztahu (1) 3

(

)

EI ef = ∑ Ei ⋅ I i + γ i ⋅ Ei ⋅ Ai ⋅ a1 i =1 2

(1)

Výztužná (smyková) únosnost Prostorová stabilita hraje zásadní roli v konstrukčním řešení vícepatrových budov. Prostorové tuhosti se u jednotlivých konstrukčních systémů dřevostaveb dosahuje různými přístupy. Těžký dřevěný skelet tvořený jednotlivými kloubově spojovanými prutovými prvky využívá k přenosu horizontálních sil a zajištění prostorové tuhosti diagonální dřevěné vzpěry. Systém lehkého skeletu v současné převládající variantě Platform Frame využívá k zajištění smykové tuhosti stěn konstrukční opláštění deskami na bázi dřeva či sádry. Masivní dřevěné konstrukce mají potenciál snadno přenášet vodorovné síly do základových konstrukcí přes smykové stěny. Výztužná únosnost mechanicky spojovaných křížem vrstvených panelů je zajištěna spojením jednotlivých vrstev pomocí vrutů, přičemž počet a parametry vrutů významně ovlivňují výsledné hodnoty únosnosti. Pro stanovení výztužné únosnosti masivních dřevěných panelů v současnosti neexistuje jednotná harmonizovaná zkušební norma. Pro experimenty byla proto využita norma ČSN EN 594 [3] s určitými úpravami, nicméně využity byly veškeré předpoklady a požadavky této normy. V průběhu zatěžování byly panely sou-

(1)

▲ Obr. 3. Průběh zkoušky vzpěrné únosnosti pětivrstvých stěnových panelů

časně namáhány vodorovnou tlakovou silou a svislým liniovým zatížením vyvozenými hydraulickými válci. Zatěžovací sestava pro stanovaní výztužné únosnosti je zobrazena na obr. 4. Pro třívrstvé i pětivrstvé stěnové panely byly použity zkušební série s pěti identickými vzorky rozměru 2500 × 3000 mm [4]. Pro zajištění tuhého připojení k úložné betonové desce a dosažení maximální smykové deformace byly panely v patě kotveny pomocí masivních ocelových kotev. Vodorovná síla byla do panelů vnášena v jednotlivých zatěžovacích stupních, svislé tlakové zatížení o konstantní hodnotě 20 kN bylo vnášeno jako liniové zatížení přes ocelový roznášecí profil IPE. Záznamy měření průběhu vodorovné deformace v závislosti na působící vodorovné síle jsou na obr. 5 a obr. 6. Pro následné vyhodnocení výztužné tuhosti stěny Rv byly použity naměřené hodnoty pro 20 % a 40 % z maximálního zatížení Fmax a příslušné hodnoty vodorovného posunutí. Experimentálně dosažené hodnoty výztužné únosnosti jsou shrnuty v tab. 2.


23

▲ Obr. 5. Průběh zkoušky výztužné únosnosti třívrstvých stěnových panelů

▲ Obr. 4. Měření výztužné únosnosti stěnových panelů

Třívrstvý panel Vzorek

Fmax

Rv

F0,05,k

R0,05,k

[kN]

[N/mm]

[kN]

[N/mm]

31,33

473,99

3s – 1

46,93

733,77

3s – 2

42,40

704,24

3s – 3

38,67

594,44

Rv

F0,05,k

R0,05,k

[kN]

[N/mm]

58,29

1390,19

Pětivrstvý panel Vzorek

Fmax [kN]

[N/mm]

5s – 1

67,47

1733,14

5s – 2

63,73

1762,69

5s – 3

73,07

1856,75

5s – 4

64,53

1514,59

5s – 5

71,47

1615,22

▲ Tab. 2. Výztužná únosnost pro výšku panelu 3000 mm

I když se pro každou sérii použilo pět zkušebních vzorků, pro vyhodnocení únosnosti byly využity hodnoty měření pouze ze tří zkoušených vzorků. U zkoušky prvního vzorku třívrstvého panelu bylo dosaženo maximálního vodorovného rozsahu zatěžovacího válce, a tak není zaznamenáno odtížení. U druhého vzorku se během zatěžování uvolnily podkladní ocelové destičky, jejichž pádem byly přerušeny připojené kabely a byla ztracena zaznamenávaná data. Stěnové panely se během experimentu výrazně neporušily

24


▲ Obr. 6. Průběh zkoušky výztužné únosnosti pětivrstvých stěnových panelů

ani v ploše ani v místě uložení, a tak mohlo být dosaženo maximální možné vodorovné deformace. Pro analytické posouzení výztužné únosnosti stěnových panelů je v současnosti k dispozici návrhový postup uvedený v ČSN EN 1995-1-1 [2], který však uvádí způsob výpočtu pouze pro rámové konstrukce opláštěné deskou s dostatečnou tuhostí ve své rovině, umožňující přenesení smykového namáhání při využití únosnosti mechanických spojovacích prostředků. Předpokladem výpočtu je vytvoření rovnoměrného smykového toku v místě spojovacích prostředků. Vytvořením modelu pro výpočet výztužné únosnosti stěnových panelů z mechanicky spojovaného CLT se zabývá další výzkum.

Ohybová tuhost stropních panelů Systém mechanicky spojovaných panelů z křížem vrstveného dřeva se v současnosti používá pouze pro stěnové konstrukce. Pro realizaci stropních konstrukcí je využíván systém nosníků z rostlého, či lepeného lamelového dřeva, případně jsou z důvodu zvýšení požární odolnosti a zlepšení akustických vlastností

▲ Obr. 8. Průběh čtyřbodové ohybové zkoušky stropního panelu

▲ Obr. 7. Průběh svislé deformace panelu v závislosti na působící síle

využívány spřažené dřevobetonové konstrukce nosníkového typu. Z důvodu sjednocení konstrukčního systému byly zjišťovány možnosti využití stávající technologie výroby stěnových panelů i pro prvky stropních konstrukcí. Přestože stěnové i stropní konstrukce z masivního deskového systému tvoří plošný prvek, namáhání, kterému jsou vystaveny, a tím také požadavky, které musí splňovat, se liší. Pro stěnové panely, vystavené účinkům svislého zatížení působícího v rovině prvku, je rozhodující jejich vzpěrná únosnost. Tato hodnota je závislá na vzpěrné délce, účinné tuhosti průřezu a také na způsobu podepření prvku. O smykové únosnosti panelů rozhoduje v největší míře tuhost spojení jednotlivých vrstev lamel a kotvení stěnového prvku k podkladní konstrukci. Stropní panely jsou na rozdíl od panelů stěnových namáhány zatížením působícím kolmo k jejich rovině, proto o jejich únosnosti rozhoduje hlavně účinná ohybová tuhost průřezu. Pro zjištění ohybové tuhosti a ověření skutečného chování byly dva vzorky stropních panelů vystaveny klasické čtyřbodové ohybové zkoušce podle ČSN EN 408 [5], viz obr. 8. Svislé tlakové zatížení vyvozované hydraulickým válcem bylo pomocí vahadla rozděleno na dvě shodné síly. Vahadlo bylo tvořeno soustavou ocelových roznášecích nosníků profilu IPE. Použité zkušební vzorky tvořily pětivrstvé panely o rozměru 2600 × 1000 × 135 mm. Během experimentu bylo zaznamenáváno vodorovné posunutí horních dvou vrstev lamel vůči sobě, vzájemné svislé posunutí krajních vláken horní a dolní vrstvy a celková svislá deformace panelu. Záznamy měření svislé deformace uprostřed rozpětí panelů v závislosti na působící zatěžovací síle jsou zobrazeny na obr. 7. Z důvodu otlačení spojovacích prostředků v průřezu obou zkoumaných vzorků došlo během zatěžování k postupnému vodorovnému posunu a svislému oddálení jednotlivých vrstev. Posun lamel měl za následek postupné snižování ohybové tuhosti. K porušení obou vzorků došlo v působišti zatěžovací síly vyčerpáním únosnosti spodních vláken průřezu. Vyhodnocení výsledků zkoušek je shrnuto v tab. 3.

Vzorek 5s – 1 5s – 2

Mmax [kNm] 51,48 46,32

▲ Tab. 3. Ohybová tuhost pro rozpětí panelu 2160 mm

EIef [Nmm2] 2,39 · 1011 1,98 · 1011

Mechanicky spojované panely se zkoumaným uspořádáním a spojením lamel mají nízkou ohybovou tuhost, která v důsledku významných deformací limituje jejich použití pro stropní konstrukce větších rozpětí. Zvýšení ohybové tuhosti lze docílit použitím vrutů většího průměru, případně jejich osazením pod úhlem 45° vzhledem k rovině panelu.

Závěr Poznatky získané z provedených experimentálních měření ukazují, že stěnové panely vyrobené z mechanicky spojovaného křížem vrstveného dřeva vykazují velmi dobré mechanické vlastnosti, umožňující jejich použití v běžných stavebních konstrukcích. Stanovení tuhosti spojů lamel výztužných stěnových prvků a zvýšení tuhosti stropních prvků je věnován další výzkum. ■ Použitá literatura: [1] Nechanický, P.: Stanovení charakteristických hodnot vzpěrné únosnosti masivních dřevěných panelů, vyhodnocení měření, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Praha, 2013. [2] ČSN EN 1995-1-1: (73 1701) Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006. [3] ČSN EN 594: (73 2076) Dřevěné konstrukce – Zkušební metody – Výztužná únosnost a tuhost stěnových panelů s dřevěným rámem, ČNI, Praha, 2011. [4] Nechanický, P.: Stanovení charakteristických hodnot výztužné (smykové) únosnosti masivních dřevěných panelů, vyhodnocení měření, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Praha, 2013. [5] ČSN EN 408+A1: (73 1741) Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo a lepené lamelové dřevo – Stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností, ČNI, Praha, 2012. Poděkování Tento článek byl zpracován za podpory projektu Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, projektu COST CZ LD15077 Mechanicky spojované křížem vrstvené dřevo (CLT) a projektu TE02000077 Inteligentní regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj. Autoři: Ing. Lukáš Velebil, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. ČVUT v Praze, Fakulta stavební a Univerzitní centrum energeticky efektivních budov Odborné posouzení: doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D. VŠB – TU Ostrava, Fakulta Stavební


25

inzerce

Postavili jsme již 23 000 domů

Tradice dlouhá 46 let a 23 000 domů – to je současná bilance společnosti RD Rýmařov. V Evropě je jen několik

26 stavebnictví 01–02/16

společností, které se mohou pre zentovat podobnou historií. Firma za tuto dobu vrostla do rýmařovské

ho regionu a není zde rodiny, která neměla nebo nemá s RD Rýmařov něco společného. Dvacet tři tisíc domů představuje již prakticky sto tisícové město. Představuje tři gene race spokojených obyvatel produk tu vyrobeného v podhůří Jeseníků. Za tímto číslem je práce tisíců mana žerů, techniků a dělníků, kteří svou prací a umem umožnili, že se domy staly domovy spokojených rodin. Firma RD Rýmařov překonávala od prvopočátku různé problémy, nevy hýbají se jí omyly, neustále však hle dá cesty vpřed. To jí umožnilo, že se stala absolutním lídrem montované výstavby na bázi lehké prefabrikace dřeva v České republice a ve stře doevropském regionu. Současná nabídka domů, která je důsledně vedena v rámci pěti „E“ (ekonomická přijatelnost, energetická přiměřenost, efektivní rychlá výstavba, ekologické zásady a estetická dokonalost), vede k tomu, že pro rok 2016 uzavřela fir ma 570 smluv na nové domy.

Není náhodou, že dům s pořadovým číslem 23 000 je NOVA 101. Dům, kte rý je od roku 2010 nejprodávanějším domem z produkce firmy RD Rýmařov. Dům, který nezískává ocenění architek tů, ale pro svou účelnost a energetické parametry je vyhledávaný zákazníky. Na tento dům navazují v prodejní úspěš nosti domy LARGO 98 a KUBIS 631, potažmo KUBIS 632. Domy těchto řad nejsou výhodné jen pořizovací cenou, která vnímá průměrnou výši hypotéky, ale celá jejich koncepce a energetic ké parametry ve svém výsledku snižují provozní náklady a splátky hypotéky na částky přijatelné pro běžnou rodinu. Dům s výrobním číslem 23 000 a po čty současných uzavřených smluv potvrzují prodejní strategii firmy RD Rý mařov. Strategii, jež se opírá o moderní vlastnost základního konstrukčního ma teriálu dřeva, kterou je silný inovační po tenciál prověřený staletími. Vždyť stavby

na bázi dřeva sloužily v pravěku, zrovna tak ve středověku a jsou připraveny spl nit náročné parametry evropské agendy 2020 potvrzené na pařížské ekologické konferenci na sklonku minulého roku. Pro definování svých cílů využívá firma poznatků Inovačního centra Národního dřevařského klastru v Ostravě, jehož byla spoluinvestorem, a také programů TAČR ČR spolu s UCEEB při ČVUT v Praze. Tato špičková evropská pra coviště jsou zárukou vysokých kvali tativních parametrů domů z produkce RD Rýmařov. Parametrů, které obstojí v evropské konkurenci. Důkazem jsou ocenění, která za své realizace získala firma na velmi náročném rakouském trhu. V roce 2014 to bylo ocenění Dře vostavba roku za konferenční centrum v rakouském Stollhofu a vloni to byla prestižní cena Wienwood, udělovaná jednou za pět let, a to za bytové sídliště ve Vídni.

Firma RD Rýmařov se prezentuje jako firma budoucnosti. V letošním roce se stal rýmařovský závod vý robní základnou další významné ev ropské značky HANLO. V Rýmařově probíhá investiční činnost, která ve výsledku změní tuto výrobní kapa citu na jednu z největších v Evropě. Je to velká výzva pro rýmařovský re gion a zejména pro samotnou firmu RD Rýmařov. Ta v roce 2019 oslaví padesát let od položení základního kamene. Firma se ovšem nemíní zastavovat a bilancovat, chce dyna micky působit na evropských trzích a posilovat značku RD Rýmařov tak, aby její spokojení zákazníci stavěli domy z produkce RD Rýmařov již ve čtvrté generaci. Ing. Jiří Pohloudek obchodní ředitel společnosti RD Rýmařov s.r.o.

▲ Rodinný dům NOVA 101 je nejprodávanějším domem z produkce RD Rýmařov

stavebnictví 01–02/16 27

16

Recommend Documents