Mendelova univerzita v Brně

Mendelova univerzita v Brně Fakulta lesnická a dřevařská Ústav nauky o dřevě

Vliv nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé Bakalářská práce

Vedoucí bakalářské práce:

Vypracoval:

Ing. Vladimír Gryc, Ph.D.

Lukáš Vlach

Brno 2010

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Vliv nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé“ vypracoval samostatně a použil pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona Č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací.

Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.

V Brně, dne………….. ………………………….

2

Chtěl bych touto cestou poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce panu Ing. Vladimíru Grycovi, Ph.D., za ochotu, odbornou pomoc a poskytnutí cenných rad a připomínek. Dále bych rád poděkoval panu Josefu Fraňkovi za poskytnutý prostor při výrobě vzorků a odbornou pomoc při řešení technických problémů. Velký dík také patří mé přítelkyni Kateřině Sychrové za pomoc při vkládání dat do PC. Především bych ale chtěl poděkovat svým rodičům za podporu, kterou mi během celého studia poskytovali. Tato závěrečná práce vznikla v rámci výzkumného záměru LDF MZLU v Brně, MSM 6215648902 – les a dřevo – podpora funkčně integrovaného lesního hospodářství.

3

Abstrakt: Jméno:

Lukáš Vlach

Název:

Vliv nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé

Tato práce, prováděná formou experimentu, se zabývá vlivem nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé (Salix alba L.). Porovnává naměřené hodnoty jednotlivých vzorků (v mokrém stavu) ze tří lokalit z oblasti lužního lesa. Práce dále rozlišuje naměřené hodnoty v závislosti na poloze ve kmeni v horizontálním směru a orientací vzorků vůči světovým stranám. V posledním bodě výsledků se práce zabývá porovnáním hodnot vzorků ve zmraženém a nezmraženém stavu. Naměřená data jsou statisticky vyhodnocena a porovnána s odbornou literaturou.

Klíčová slova: dřevo, vrba, pevnost v tlaku, teplota

Abstract: Name: Titul of the work:

Lukáš Vlach Influence of Low Temperatures on the Compressive Strength of White Willow Wood Parallel to the Grain

This thesis deals with experimental evaluation of the influence of low temperatures on the compressive strength of White Willow (Salix Alba L.) parallel to the grain. The values compared were measured for wet-state samples from three locations of freshwater swamp forest area. The dependence of the measured values on both horizontal and geographic position on the trunk is examined as well. The last section compares the values for frozen samples with the ones that were not frozen. The measured data is evaluated statistically and compared to literature.

Key words: wood, willow, compressive strength, temperature

4

Obsah:

1

Úvod .................................................................................................................... 7

2

Cíl práce .............................................................................................................. 8

3

Literární přehled .................................................................................................. 9

4

5

6

3.1

Charakteristika rodu Salix ............................................................................... 9

3.2

Charakteristika druhu Salix alba L. ................................................................ 10

3.3

Makroskopická stavba dřeva Salix alba L. ..................................................... 11

3.3

Mikroskopická stavba dřeva Salix alba L. ...................................................... 12

3.4

Fyzikální vlastnosti........................................................................................ 14

3.6

Mechanické vlastnosti ................................................................................... 16

Materiál a metodika ........................................................................................... 20 4.1

Lokalizace území........................................................................................... 20

4.2

Výběr stromů ................................................................................................. 24

4.3

Výroba vzorků............................................................................................... 26

4.4

Značení vzorků − identifikační kód................................................................ 27

4.5

Měření, vážení a mražení vzorků ................................................................... 28

4.6

Měření pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken.............................................. 28

4.7

Statistické vyhodnocení ................................................................................. 30

Výsledky............................................................................................................ 33 5.1

Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti ........... 33

5.2

Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice.............................. 35

5.3

Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru ............................. 38

Diskuse .............................................................................................................. 41 6.1

Výsledky meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti .................................................................................................................... 41

6.2

Výsledky meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice............. 42

6.3

Výsledky meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru ............ 42

7

Závěr ................................................................................................................. 44

8

Souhrn ............................................................................................................... 45 5

9

Seznam použité literatury ................................................................................... 47

10

Přílohy ............................................................................................................... 49 10.1 Seznam tabulek ............................................................................................. 49 10.2 Seznam obrázků ............................................................................................ 50

6

1 Úvod Dřevo je materiál, který člověk používá od nepaměti a který se naučil využívat díky své dostupnosti jako jeden z prvních. Ač se to nezdá, dřevo je velmi silně spjato s historií člověka. Bylo zde již před příchodem prvního člověka. První lidé jej používali pouze jako zdroj tepla, později sloužilo k výrobě jednoduchých přístřešků a zbraní. Postupem času docházelo ke zvyšování úrovně jeho opracování a zefektivnění využívání dřeva. Dnes má dřevo svoji nezastupitelnou úlohu ve výrobě nábytku, hraček, dopravních prostředků, dýh, sportovních potřeb, v chemickém a celulózopapírenském průmyslu, ale je hojně využíváno i jako konstrukční a stavební materiál. V současné době pozorujeme v České republice zvyšující se trend ve využívání dřeva, které bylo v éře socialismu nedoceněno. Docházelo k mýcení lesů za účelem vývozu do zahraničí, prosazovaly se stavby panelových domů a celkově bylo na dřevo nahlíženo jako na něco podřadného. Také nahrazování dřeva plastem se ukázalo jako krok zpět. K dobrým vlastnostem dřeva řadíme jeho snadnou opracovatelnost, dobré tepelně-izolační vlastnosti, jeho pružnost a pevnost při relativně nízké hmotnosti, tlumení vibrací a dobrou recyklovatelnost. Je však třeba poukázat i na nedostatky tohoto obnovitelného zdroje. Dřevo neustále komunikuje s okolím a v závislosti na teplotě a vlhkosti přijímá a uvolňuje vodu. To se projevuje změnou jeho objemu a fyzikálních a mechanických vlastností. Dalším negativem je nízká odolnost vůči dřevokaznému hmyzu a houbám. Již zmiňovaná hořlavost dřeva se paradoxně započítává také jako nedostatek. Tyto nedostatky lze odstranit vhodnou chemickou nebo mechanickou úpravou dřeva. Dřevo je vytvářeno v živém stromu z oxidu uhličitého a vody pomocí sluneční energie. Jeho růstem tedy dochází ke snižování škodlivin v ovzduší, což má pozitivní dopad na člověka. Také již opracované dřevo, jeho přirozená kresba a charakteristická vůně působí na člověka pozitivně. Vlastnosti dřeva působí na podvědomí člověka, ovlivňují jeho pocity, které má ze svého okolí a tím zlepšují jeho psychickou pohodu. Každé dřevo obsahuje určité procento vlhkosti, která do značné míry ovlivňuje jeho fyzikální a mechanické vlastnosti. Problematika vody ve dřevě je předmětem výzkumu mnoha institucí i jednotlivých vědeckých pracovníků. Tato bakalářská práce se zabývá zjištěním vlivu nízkých teplot na mez pevnosti dřeva vrby bílé v tlaku ve směru vláken.

7

2 Cíl práce Cílem bakalářské práce je experimentální zjištění vlivu nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé (Salix alba L.). Vliv teplot je studován s ohledem na stanovištní podmínky, orientaci vzorku vůči světovým stranám a polohou vzorku ve kmeni. Práce dále porovnává naměřené hodnoty zmražených vzorků s hodnotami dřeva v nezmraženém stavu. Posledním cílem je srovnat naměřené hodnoty s odbornou literaturou.

8

3 Literární přehled 3.1 Charakteristika rodu Salix Rod vrba (Salix) je rodem velmi obsáhlým. Je zaznamenáno 300−600 druhů tohoto rodu, který se vyskytuje kromě Austrálie a Nového Zélandu po celé zeměkouli. Nejvíce je tento rod zastoupen v mírném až subarktickém pásu severní polokoule. V České republice je v literatuře popsáno 25 druhů, avšak máme velké množství kříženců mezi jednotlivými druhy vrb. Určování vrb je velmi nesnadné nejen pro velký počet druhů, ale také pro množství jejich kříženců. Tvrzení, že se vyskytuje víc kříženců, než čistých druhů, je však nesprávné. Volně v přírodě se vyskytují s naprostou převahou čisté druhy, kříženci jsou rozšiřováni hlavně kulturou (Chmelař, 1983). Vrby se vyznačují velikou proměnlivostí tvarů a vzrůstu, od drobných keříků přes keře po mohutné stromy. Plazivé druhy keřů mají rozměry několik centimetrů, naopak některé stromové druhy dosahují výšky přes 30 metrů a mají průměr kmene více než 2 metry. Pouze 4 druhy vrb však dosahují rozměrů vyhovujícím k těžbě dřeva. V naší krajině se jedná pouze o vrbu bílou (Salix alba). Vrby patří mezi dřeviny silně světlomilné, zejména druhy stromovité, které navíc vyžadují více vláhy. Z tohoto důvodu dává vrba přednost kyprým, hlubokým, vlhkým půdám, hlavně na březích řek, potoků a rybníků, na rašeliništích a v lužních lesích. Bývá vtroušená jako samostatný strom, často v parcích (Wagenführ, 2000). Vrby se řadí mezi rychlerostoucí dřeviny. Toho je využíváno ve výrobě biomasy, kdy se pěstují na výmladkových plantážích a sečou po 3−6 letech. Zde je také využíváno snadného množení vrb pomocí řízků. Velký význam spatřujeme též u včelařství. Některé druhy jsou využívány také v bylinářství i lékařství z důvodu obsahu salicylových derivátů účinných proti horečkám, onemocněním žaludku a střev, proti krvácení a pocení. Listy vrb mají střídavé postavení, většinou kopinaté, s okraji pilovitými nebo celokrajnými. Květy jsou uspořádány ve vzpřímených jehnědách, ojediněle i ohnutých. Plodem bývají dvouchlopňové tobolky se 2 až 32 semeny. Jednotlivé druhy je možno rozdělit podle tvaru listů. Jsou to dvoudomé rostliny s opadavými listy.

9

Obr. 1 Salix alba L. (www.biolib.de)

3.2 Charakteristika druhu Salix alba L. Vrba bílá (Salix alba) je na našem území nejrozšířenějším druhem vrby. Její název je odvozen od bílého tónu na spodní straně listů. Jedná se o středně velký až velký listnatý strom, který dorůstá výšky 10−30 m. Kmen dorůstá průměru 1 m a bývá nepravidelný. V průměru se vrba bílá dožívá 80−100 let. Vrba bílá snáší dlouhodobé záplavy a vyhledává místa, která jsou bohatá na půdní živiny. Naopak nevyhledává mělké, příliš kyselé a chudé půdy. Drží se dobře ve městech a snáší znečištěné ovzduší (Chmelař, 1983). Na našem území se vyskytuje v Polabí, Poohří, v úvalech Svratky, Dyje a Moravy. Vystupuje do výšky 400−550 m n. m. Jedná se o rychle rostoucí strom. V 10 letech může vrba dosáhnout výšky 12 m, ve 20 letech 20 m a ve 30 letech 25 m. V období 25−30 let mohutný přírust již silně klesá (Chmelař, 1983). Kůra je šedohnědá a u starších stromů bývá hluboce rozbrázděná. Kořenový systém, který nesahá do velké hloubky, bývá široce rozvětvený, díky čemuž se dřevina snadno uchytí i v rozbředlém půdním materiálu. Zvěří a dobytkem bývá méně poškozována než jiné vrby, protože listí a kůra jsou dosti hořké (Chmelař, 1983). Listy jsou světlejší než u ostatních druhů vrb. Zejména na spodní straně jsou pokryté jemnými, hedvábnými, bílými chloupky. Délka listů je 5−10 cm a šířka 1–2 cm. Na podzim listy ztrácí barvu a následně opadávají. Vrba bílá je dvoudomá dřevina, kvete vzpřímenými jehnědami hned po rašení listů koncem dubna a v květnu. Plody, tobolky, dozrávají asi po 5 týdnech. Drobná ochmýřená semena vítr snadno zavane do velké vzdálenosti, za vhodných podmínek vyklíčí během půl dne, rychle však ztrácejí klíčivost (Úradníček et al. 2001). 10

Vrbu bílou řadíme do skupiny roztroušeně pórovitých dřevin. Dobře se suší, ale poměrně špatně opracovává. Také trvanlivost není příliš vysoká. Dřevo je snadno zaměnitelné s topolovým. Průmyslově se využívá při výrobě poddýžek, zápalek, aglomerovaných materiálů a jak již bylo zmíněno, je pěstována na produkci biomasy. Méně kvalitní dřevo se používá na výrobu obalů (beden), překližek a v papírenském průmyslu. Pružné letorosty jsou běžným materiálem v košíkářství. Z kůry se dříve získávalo tříslo a salicin k potřebám farmaceutického průmyslu (www.garten.cz).

Obr. 2 Detaily Salix alba L. (www.biolib.de)

3.3 Makroskopická stavba dřeva Salix alba L. Dřevo vrby bílé se řadí mezi dřeva listnatá s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva (ve dřevě jsou přítomny pouze mikrocévy). Letokruhy jsou na příčném řezu nezřetelné, často poměrně široké. Vrba bílá má dřevo jádrové. Jádro dřeva je světle načervenalé až světle nahnědlé, šedě proužkované. Běl je nažloutlá a široká (nad 5 cm). Dřeňové paprsky makroskopicky nezřetelné. Pozorujeme častý výskyt hnědých dřeňových skvrn. Cévy na podélných řezech tvoří drobné trhlinky. Povrch bývá pokryt jemnými chloupky (plstnatý povrch). Vrbu řadíme mezi méně trvanlivé dřeviny. Textura je stejnoměrná, slabě fládrovaná (tangenciální řez), slabě pruhovaná (radiální řez), jemně rýžkovaná, málo dekorativní (Wagenführ, 2000).

11

a) příčný řez

b) radiální řez

c) tangenciální řez

Obr. 3 Makroskopická stavba vrby na jednotlivých řezech (Vavrčík et al. 2002)

3.3 Mikroskopická stavba dřeva Salix alba L. Dřevo vrby bílé řadíme do skupiny dřev listnatých s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva. Na příčném řezu jsou mikrocévy volně rozptýleny, nemají charakteristické uspořádání. Často se cévy vyskytují v rad. sk. do 4 i více. Radiální průměr cév je 0,02−0,12 mm. Podélný dřevní parenchym je apotracheální, hraniční. Dále zde vidíme jednovrstevné dřeňové paprsky (šířka 0,01 mm). Je zde možno vidět i jádrové látky v cévách nebo výskyt thyl. Na radiálním řezu lze pozorovat již zmíněné jádrové látky a thyly v cévách. Perforace cév je jednoduchá. Na radiálním řezu lze pozorovat heterogenní dřeňové paprsky. Na tangenciálním řezu pozorujeme heterogenní, jednovrstevné dřeňové paprsky. Také zde můžeme pozorovat přítomnost jádrových látek a thyl. Vrbové dřevo obsahuje průměrně 54,5% libriformních vláken, z 38% je tvořeno cévami a podíl dřeňových paprsků je 7,5%. Obsah dřevního parenchymu je zanedbatelný (Perelygin, 1965).

12

a) příčný řez

b) radiální řez

c) tangenciální řez

Obr. 4 Mikroskopická stavba vrby na jednotlivých řezech (Vavrčík et al. 2002)

13

3.4 Fyzikální vlastnosti Při zkoumání fyzikálních vlastností dřeva nesmí dojít k porušení jeho celistvosti, nebo k narušení chemického složení měřených vzorků. Dřevo je anizotropní materiál. To znamená, že naměřené hodnoty jsou v různých směrech odlišné. Níže popsané vlastnosti jsou zastoupeny pouze v rozsahu týkající se této práce.

-Vlhkost – znamená množství vody ve dřevě. Dřevo je hygroskopický materiál. To znamená, že má schopnost přijímat, nebo odevzdávat kapaliny nebo plyny v závislosti na okolním prostředí. Přizpůsobuje tedy svoji vlhkost okolnímu prostředí. Vlhkost také zásadně ovlivňuje vlastnosti dřeva. Všeobecně lze konstatovat, že se stoupající vlhkostí do bodu nasycení vláken, dochází k poklesu pružnostních a pevnostních vlastností. Mez hygroskopicity se u vrby bílé pohybuje v rozmezí 32−35%. Cílem práce je zatížení dřeva v tlaku ve směru vláken. Při tomto způsobu namáhání vznikají ve vztahu mezi napětím a deformací významné rozdíly při vlhkosti w = 0% a na mezi hygroskopicity. Při vlhkosti na mezi hygroskopicity je mez pevnosti 3,5 krát a celková deformace téměř 7 krát menší (Přemyslovská 2007). Mění-li se vlhkost dřeva v rozsahu vody vázané, dřevo podléhá rozměrovým změnám. Při přijímání vody vázané mluvíme o bobtnání a naopak při odevzdávání vody dochází k sesýchání. Vzhledem k anizotropii dřeva opět nedochází k rozměrovým změnám ve všech směrech stejně. Hodnoty se nejčastěji vyjadřují následujícím poměrem: xt : xr : xl = 20 : 10 : 1. Vrba patří mezi dřeviny málo sesýchavé, to znamená, že koeficient objemového sesýchání je menší než 0,4 (Šlezingerová 2004). Sesýchání dřeva vrby bílé je udáváno pro radiální směr (1,9−3,9%), pro tangenciální směr (5,4−8,7%), podélné (0,5−1,1%) a objemové (7,9−11,3%) (Wagenführ, 2000).

-Hustota – je charakterizována podílem hmotnosti dřeva a jeho objemu. Velikost této hodnoty je tedy ovlivňována vlhkostí dřeva. Vrbu řadíme do skupiny dřev s nízkou hustotou. Hustota dřeva vrby v absolutně suchém stavu se pohybuje v rozmezí 0,33−0,59 kg∙m-3. Hustota dřeva u vrby při 12% vlhkosti se pohybuje v rozmezí 0,35−0,62 kg∙m-3. Tvrdost ve směru vláken je přibližně 35 MPa a tvrdost kolmo na vlákna je 16 MPa (Lexa, 1952). Průměrné hodnoty ρ0, ρ12 a ρκ dřeva našich nejvýznamějších dřevin, jež udává (Horáček 2008), jsou vyobrazeny v Tab. 1.

14

dřevina

ρ0

ρ12 -3

ρκ -3

(kg∙m )

(kg·m )

(kg·m-3)

Jedle bělokorá

405

435

355

Jalovec obecný

520

550

460

Modřín opadavý

560

590

485

Smrk ztepilý

420

450

370

Borovice lesní

505

535

445

Douglaska tisolistá

470

500

415

Tis červený

640

690

580

Dub letní

680

725

610

Lípa malolistá

475

505

405

Javor mléč

630

670

540

Habr obecný

750

790

625

Buk lesní

685

720

570

Jasan ztepilý

670

710

600

Ořešák královský

660

700

590

Topol černý

390

420

345

Akát trnovník

760

800

660

Vrba bílá

385

410

335

Tab. 1. Průměrné hodnoty hustoty dřeva při 0% vlhkosti (ρ0 ), 12% vlhkosti (ρ12 ) a konvenční hustoty (ρk).

-Teplota dřeva – během svého života je dřevo vystaveno různým teplotám prostředí, což také ovlivňuje jeho vlastnosti. Také v průběhu technologických procesů působí na dřevo rozdílné teploty. S rostoucí teplotou dochází ke snižování pevnosti a pružnosti dřeva. Pokud je dřevo vystaveno teplotám vyšším než 100°C, vznikají ve dřevě trvalé změny, při teplotě nad 200°C se dřevo stává křehkým a nastupuje pyrolýza dřeva. Vliv teploty na mechanické vlastnosti se mění s vlhkostí. Zvyšováním teploty a vlhkosti se pevnost výrazně snižuje, přičemž současné působení obou faktorů snižuje pevnost více, než působení každého samostatně (Gandelová et al. 2004). Naproti tomu při působení nízkých teplot dochází ke zvýšení pevnosti dřeva.

15

3.6

Mechanické vlastnosti

Dřevo má svoje nenahraditelné vlastnosti, které ho zařazují mezi materiály se širokým uplatněním v praxi. Mezi tyto charakteristiky patří mechanické vlastnosti, zejména pružnost a pevnost. Dřevo má při relativně nízké hmotnosti dobrou pevnost, což je předpokladem každého dobrého materiálu (Požgaj et. al. 1993). Mechanické vlastnosti dřeva charakterizují schopnost dřeva odolávat účinku vnějších sil. Také mechanické vlastnosti mají anizitropní charakter (Gandelová et al., 2008).

a) Pružnost dřeva – je vratná deformace dřeva, která vzniká působením vnějších sil. Dřevo se po jejich působení vrací do původního tvaru. Modul pružnosti se udává v MPa. Vyjadřuje napětí, při němž se v mezích pružnosti mění pevnostní parametry dřeva. Mění se v závislosti na druhu dřeviny, na vlhkosti, na anizotropii, na vadách dřeva a na objemové hmotnosti. Modul pružnosti se zkouší podle ČSN EN 408 (Lukášek, 2005). Vnitřní odpor materiálu vůči pružné deformaci vyjadřují moduly pružnosti. Čím je modul pružnosti větší, tím větší napětí je třeba vyvinout na vyvolání deformace. Podle toho jak materiál namáháme, rozlišujeme různé moduly pružnosti. Shledáváme se s moduly pružnosti v tahu, tlaku, ohybu, smyku a krutu.

dřevina smrk jasan topol

modul pružnosti (MPa) v tlaku a tahu v ohybu ve smyku EL ER ET EOH GLR GLT GRT 14300 680 470 12800 1230 800 55 15700 1875 1250 13900 1325 1080 255 13900 885 350 840 385 110

Tab. 2 Moduly pružnosti a smykové moduly vybraných dřev v hlavních směrech pružné symetrie (w = 11 − 12%) (podle Ugoleva 1986 a Požgaje et al. 1993). Modul pružnosti obecně klesá s rostoucí vlhkostí a to až do MH. Se změnou vlhkosti o 1% se hodnota modulu pružnosti v tahu a tlaku ve směru vláken změní o 2%, v tlaku a tahu napříč vláken o 3%, v ohybu o 1% a ve smyku o 3% (Gandelová et al., 2008).

b) Pevnost dřeva – je to nevratná deformace, nebo celkové porušení dřeva působením vnějších sil. Charakterizuje nám odpor dřeva proti jeho trvalému porušení. Hodnoty se zjišťují prostřednictvím zkoušek. I zde dochází u jednoho druhu dřeva k rozdílným výsledkům, které ovlivňuje směr vláken, vlhkost dřeva, objemová hmotnost a anatomická stavba.

16

Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken. Tlaková pevnost dřeva ve směru vláken je z praktického hlediska velmi důležitou vlastností dřeva. Působením tlaku na těleso podél vláken dojde k deformaci, projevující se zkrácením délky tělesa. Charakter deformace závisí na jakosti a stavbě dřeva. Důležitými činiteli jsou hustota a vlhkost dřeva. U dřeva suchého s vysokou hustotou a tedy i s vysokou pevností vzniká zatížením porušení dřeva ve formě smyku jedné části tělesa (např. zkušebního vzorku) vzhledem k druhé po linii, která na tangenciální ploše probíhá pod úhlem 60° vzhledem k podélné ose tělesa. U dřeva vlhkého s nízkou hustotou a malou pevností dochází k otlačení vláken na čelních plochách a k vybočení stěn zatěžovaných těles. V zóně porušení dřeva dochází ke změnám mikroskopické stavby jednotlivých elementů. Určité porušení dřeva tlakem podél vláken lze pozorovat již při počátečním zatížení tělesa vytvářením příčných rysek na tracheidách jehličnanů – tzv. skluzových čar, které s osou tracheid svírají úhel 70°. Skluzové čáry se dále mění na čáry porušení, přičemž ještě nedochází k zakřivení vláken. V další fázi, již pouhým okem viditelné, se deformují buněčné stěny a celá vlákna. Průměrná hodnota meze pevnosti v tlaku ve směru vláken u dřev s vlhkostí 12% je cca. 50 MPa (Gandelová et al., 2008).

dřevina

σP II (Mpa) w = 12%

w = 30%

modřín

64,5

25,5

borovice

48,5

21

smrk

44,4

19,5

jasan

59

32,5

ořešák

55

24

bříza

55

22,5

habr

60

26,5

akát

75,5

41,5

buk

55,5

26

dub

57,5

30,4

lípa

45

24

olše

44

23,5

osika

42,5

19

topol

39

18

Tab. 3 Hodnoty meze pevnosti v tlaku ve směru vláken pro dřevo některých dřevin při různé vlhkosti (Ugolev, 1986).

Průměrné hodnoty meze úměrnosti v tlaku ve směru vláken dosahují pro tvrdé listnáče 56%, pro měkké listnáče 60% a pro jehličnany 68% meze pevnosti. 17

Udávané rozdíly v hodnotách pro jednotlivé skupiny dřev souvisí pravděpodobně s rozdílnou stavbou dřeva. Vyšší mez úměrnosti dřeva jehličnatých dřevin je vysvětlována pravidelnější stavbou, dřeva listnáčů s kruhovitě pórovitou a s méně pravidelnou stavbou mají mez úměrnosti nižší. Předpokládá se, že vzniklé napětí v tělese je přenášeno hlavně elementy s tlustšími buněčnými stěnami (letními tracheidami u jehličnanů a libriformními vlákny u listnáčů). V buněčných stěnách je napětí přenášeno přes makromolekuly celulózy a hemicelulóz na amorfní výplň celulózní kostry buněčné stěny. Výrazná plastická deformace, která při tlaku vzniká, je tedy především projevem trvalých změn ve struktuře ligninu, případně narušení spojů lignino-sacharidového komplexu (Gandelová et al., 2008).

Pevnost dřeva v tlaku napříč vláken Na rozdíl od tlaku ve směru vláken nebývá v tomto případě dřevo porušeno oddělováním jednotlivých částí, ale dochází k postupné deformaci a zhušťování dřevní struktury v celém objemu. Při působení tlaku napříč vláken nedochází ve většině případů k celkovému porušení tělesa. Proto se pevnost v tlaku určuje z meze úměrnosti. S ohledem na to, že vlastní mez úměrnosti je obtížné určit, zjišťuje se v podstatě mez úměrnosti na základě stanovených kritérií. Takto stanovená mez úměrnosti je označována jako konvenční mez pevnosti (Gandelová et al., 2008).

dřevina modřín borovice smrk jedle habr osika buk dub olše lípa jilm

konvenční mez pevnosti (MPa) v tlaku napříč vláken radiální směr tangenciální směr radiální směr tangenciální směr w = 12% w = 12% w ≥ 30% W ≥ 30% 4,5 6,1 2,7 2,5 5,2 7,6 3,1 3,1 3,4 4 2,3 2 2,2 2,4 1,3 1 6,7 6,2 4 3,7 5,5 3,5 3,3 2,1 6,2 6,5 3,7 3,9 11 8,5 6,5 5,1 7 3,8 4,2 2,3 5,7 5,2 3,4 3,1 5,8 4,8 3,5 2,9

Tab. 4 Hodnoty konvenční meze pevnosti dřeva v tlaku napříč vláken u vybraných dřevin (Ugolev 1986, Požgaj et al. 1993).

Hodnoty konvenční meze pevnosti při zatížení dřeva v radiálním a tangenciálním směru se příliš neliší. Dřeva se širokými dřeňovými paprsky (dub, buk) mají vyšší

18

konvenční mez pevnosti v radiálním směru, u jehličnatých dřevin je naopak vyšší konvenční mez pevnosti při tangenciálním zatížení, kdy tlak působí na jarní i letní dřevo současně. Konvenční mez pevnosti při zatížení napříč vláken je pro všechny druhy dřeva průměrně 10 krát menší než mez pevnosti při tlaku ve směru vláken (Gandelová, Horáček, Šlezingerová, 2008).

Ostatní mechanické vlastnosti Práce je zaměřena pouze na zatěžování dřeva v tlaku ve směru vláken. Z tohoto důvodu nebudou další způsoby namáhání popisovány, ale bude uvedeno pouze tabulkové srovnání jednotlivých veličin u vybraných druhů našich domácích dřevin. Jednotlivé vzorky dřev byly zkoumány při rovnovážné vlhkosti dřeva 12%. V tabulce se nevyskytuje vrbové dřevo. Hodnoty vrbového dřeva se nejvíce přibližují dřevu topolovému.

dřevina modřín borovice smrk habr akát buk dub topol bříza douglaska jasan jedle jilm olše

hustota

pevnost v ohybu

kg∙m-3 520 470 400 730 660 630 600 400 570 440 600 390 600 460

MPa 99 100 78 160 150 123 110 52 147 79 120 73 89 85

pevnost v tahu podélná MPa 107 104 90 135 148 135 90 76 137 105 165 84 80 91

příčná MPa 2,3 3 2,7 4,6 4,3 7 4 1,7 7 2,4 7 2,3 4 2

pevnost ve smyku

houževnatost

MPa 9 10 6,7 8,5 16 8 11 6,8 12 7,9 12,8 5 7 4,5

J∙cm-2 6 4 4,6 8 13 10 6 4 8,5 3,8 6,8 4,2 6 5

Tab. 5 Průměrné hodnoty mechanických vlastností vybraných dřevin (Perelygin 1965, Lexa 1952).

Je možno se setkat ještě s dalšími mechanickými vlastnostmi, jako je například plastičnost dřeva, štípatelnost, ohýbatelnost, opotřebovatelnost atd. Práce se ovšem těmito vlastnostmi nezabývá a z toho důvodu o nich není zmiňováno.

19

4 Materiál a metodika 4.1 Lokalizace území Materiál na výrobu vzorků byl odebrán ze tří lokalit. Z každé lokality bylo vybráno náhodně sedm stromů, dohromady tedy 21 kusů. Vybrané lokality se nacházejí na polesí obce Židlochovice, v oblasti Dolnomoravského úvalu a jsou součástí Lužního lesa. Z hlediska klimatického výskytu se podle literatury (Quitt 1975) jedná o oblast T4 (Tab. 7), která je nejteplejší oblastí České republiky. Stromy v první lokalitě vyrůstaly v podmáčeném terénu, naopak u zbývajících dvou lokalit se vyskytovaly sušší podmínky. Ve všech lokalitách se vrby vyskytují jako přimíšený porost. V dané skladbě převládá porost dubový a topolový. Vyskytuje se zde i lípa, javor, jilm, habr, osika, olše a jasan. Zařazení z typologického hlediska je 1L4. Přiložené mapy jsou staženy ze stránek UHUL (http://geoportal2.uhul.cz/index.php).

20

číslo lokality

označení

plocha

lokalita č. 1

128 A3

0,64 ha

lokalita č. 2

122C3B

0,44 ha

lokalita č. 2

122A2B

0,48 ha

Tab. 6 Velikosti a značení lokalit

klimatická charakteristika Počet letních dnů

hodnota 60−70

Počet dnů s průměrnou teplotou 100C a více

170−180

Počet mrazových dnů

100−110

Počet ledových dnů

30−40

Průměrná teplota v lednu

-2−-3

Průměrná teplota v dubnu

9−10

Průměrná teplota v červenci

19−20

Průměrná teplota v říjnu

9−10

Průměrný počet dnů se srážkami 1 mm a více

80−90

Srážkový úhrn ve vegetačním období

300−350

Srážkový úhrn v zimním období

200−300

Počet dnů se sněhovou pokrývkou Počet dnů zamračených

40−50 110−120

Počet dnů jasných

50−60

Tab. 7 Klimatické podmínky lokalit (Quitt, 1975)

21

Obr. 5 Celková lokalizace území odebraných vzorků M: 1 : 37 000 (www.uhul.cz, 2010)

22

Obr. 6 Družicový snímek lokality č. 1 (128 A3) M: 1 : 2 500 (www.uhul.cz, 2010)

Obr. 7 Družicový snímek lokality č. 2 (122C3B) M: 1 : 2 500 (www.uhul.cz, 2010)

23

Obr. 8 Družicový snímek lokality č. 3 (122A2B) M: 1 : 2 500 (www.uhul.cz, 2010)

4.2 Výběr stromů Pro účel práce bylo z každé lokality náhodně vybráno 7 stromů, které reprezentovaly dané území. Z každého stromu byl vymanipulován 2 m výřez z výšky 1,3 m nad zemí. Následně byl změřen průměr na bázi kmenů ve dvou na sebe vzájemně kolmých směrech. Rozměry vymanipulovaných výřezů jsou uvedeny v tabulkách č. 6−8. Výřezy byly označeny číslem lokality, číslem kmene a značkou určující severní a jižní stranu.

24

číslo kmene

výška (m)

D1 (cm)

D2 (cm)

Dprůměr (cm)

1

22,5

27

28

27,5

2

23

26

28,5

27,3

3

24

27

26,5

26,8

4

22

27

28,5

27,8

5

24

28,5

29

28,8

6

23

28

26

27

7

23

22,5

24

23,3

Tab. 8 Lokalita č. 1 (128A3)

číslo kmene

výška (m)

D1 (cm)

D2 (cm)

Dprůměr (cm)

1

36

34

36

35

2

25

25

25

25

3

23,5

30

30

30

4

23

42

48

45

5

26

32

32

32

6

22

32

30

31

7

20

28

27

27,5

Tab. 9 Lokalita č. 2 (122C3B)

25

číslo kmene

výška (m)

D1 (cm)

D2 (cm)

Dprůměr (cm)

1

25

38

27

32,5

2

24,5

32

35

33,5

3

25

30

32

31

4

25

44

41

42,5

5

21,5

26

29

27,5

6

23,5

30

28

29

7

25

26

25

25,5

Tab. 10 Lokalita č. 3 (122A2B)

D1 – první měřený průměr stromu v 1,3 m D2 – druhý průměr stromu v 1,3 m Dprůměr – střední hodnota obou průměrů v 1,3 m Výška – celková výška stromu

4.3 Výroba vzorků Ze zmíněných výřezů byly za pomoci horizontální pásové pily vytvořeny prizmy o tloušťce 10 cm (Obr. 9). Zmíněné prizmy byly následně rozděleny na severní a jižní polovinu. Z každé poloviny byly dále podélným řezáním a frézováním zhotoveny desky o tloušťce 20 mm. Jednotlivé desky se oddělovaly z bloku směrem od kambia ke dřeni (Obr. 9) z důvodu maximální výtěže. Ze zmiňovaných deskových přířezů byly dále vymanipulovány hranolky o rozměrech 20 x 20 mm. Ty pak byly v konečné fázi vykráceny po 30 mm. Vznikly tedy jednotlivé zkušební vzorky o rozměrech 20 x 20 x 30 mm, které odpovídají příslušné normě (ČSN 49 0012). Vyrobené vzorky byly pečlivě roztříděny. Vzorky, které obsahovaly vady (suky, hnilobu, dřeň, trhliny), byly vymanipulovány. Také byl kladen důraz na minimální odklon vláken (max. 10% na podélných řezech). Výsledný počet vzorků, vhodných k danému účelu, byl 377 ks. V konečné fázi byl každý vzorek označen číselným kódem a uložen do plastového sáčku. Z důvodu udržení požadované vlhkosti obsahoval každý

26

sáček malé množství vody. Celá výroba vzorků probíhala při vlhkosti rovnající se čerstvě pokácenému stromu (vlhkost větší než mez hygroskopicity).

Obr. 9 Způsob pořezu jednotlivých částí

4.4 Značení vzorků − identifikační kód Každý vyrobený vzorek, který splňoval požadavky, byl popsán pětimístným kódem. Jednotlivé znaky byly od sebe odděleny lomítkem. Jednotlivé znaky udávaly potřebné informace o vzorku v tomto pořadí:

a) číslo lokality (určuje jednu ze tří lokalit) b) číslo kmene (určuje číslo stromu v rámci lokality) c) světová strana (určuje světovou stranu, ke které byl vzorek orientován) d) poloha vzorku (určuje umístění vzorku po poloměru kmene) e) číslo vzorku (určuje pořadí vzorku z výroby) Výsledný identifikační kód mohl vypadat například takto: 2/4/S/C/12 27

Jedná se tedy o vzorek z lokality č. 2 (suchá lokalita), pořadí kmene č. 4, severní strany kmene, třetí řady od kambia, s číslem dílenského vzorku 12.

4.5 Měření, vážení a mražení vzorků Označené vzorky byly nejprve za pomoci digitálního posuvného měřítka MITUTOYO 150 změřené na 0,01 mm. Dále proběhlo zvážení každého vzorku na digitální laboratorní váze SCALTEC SBC 41 s přesností měření na 0,001 g. Veškeré naměřené hodnoty byly zaznamenány v elektronické podobě (program EXCEL). Tyto údaje nebyly zjišťovány pro potřebu tohoto měření, a proto nejsou součástí této bakalářské práce. Změřené a zvážené vzorky byly vráceny zpět do sáčků a následně vloženy do mrazicího boxu, kde na ně po dobu několika hodin působila teplota -20°C.

4.6 Měření pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken Zmražené vzorky podstoupily po vyndání z mražícího boxu mechanickou zkoušku pevnosti v tlaku ve směru vláken. Zkouška byla prováděna za pomoci univerzálního zkušebního stroje ZWICK Gmbh,&co, typ Z050/TH3A (Obr. 10). Zkušební stroj byl propojen s běžným osobním počítačem, na který byl nainstalován speciální měřicí program testXpert. Před zahájením každé zkoušky bylo nutno do programu zadat údaje o zkušebním tělísku (rozměry, hmotnost, identifikační kód). Po zaznamenání údajů bylo tělísko vloženo mezi tlačné čelisti stroje a pokynem na obrazovce byl zpuštěn vlastní test. Průběh zkoušky namáhaného tělíska bylo možné sledovat na pracovním diagramu, který byl v reálném čase vykreslován na obrazovce monitoru (Obr. 11). Po ukončení zkoušky byl zjištěný výsledek programem uložen do souboru. Aby nedošlo k rozmrazení a následné nepřesnosti měření, bylo nutno vytahovat z mrazicího boxu postupně pouze malé množství zmražených tělísek (max. 25 ks.).

28

Obr. 10 Měřicí přístroj firmy ZWICK Gmbh, &CO, typ Z050/TH3A

Obr. 11 Okno měřicího softwaru trhacího stroje

29

4.7 Statistické vyhodnocení Naměřené hodnoty byly statisticky zpracovávány za pomoci programů STATISTICA Cz. a EXCEL. Z naměřených souborů dat byly zjištěny maximální a minimální hodnoty, medián, směrodatná odchylka, aritmetický průměr a variační koeficient. Hodnoty zjištěných veličin jsou uvedeny v tabulkách a pro názornost byly ke grafickému vyhodnocení použity krabicové grafy. Byly použity následující statistické charakteristiky:

Aritmetický průměr X Aritmetickým průměrem charakterizujeme hodnotu, okolo níž kolísají jednotlivé prvky souboru. Je to soubor všech hodnot souboru, podělený jejich počtem.

N

X =

∑ Xi i =1

N

Modus Modus je hodnota, která se ve vyšetřovaném souboru nejčastěji vyskytuje. Z neroztříděného souboru a uspořádaného zápisu se určí modus odečtem nejčastěji se vyskytující hodnoty.

h p −1 x = x+ . 2 2s − p − 1

30

Medián Medián je hodnota, kterou nese prostřední prvek ve statistickém souboru uspořádaném podle velikosti. Rozděluje počet hodnot souboru na dvě poloviny. V případě rozdělení pravděpodobnosti je medián číslo m, které splňuje rovnost P(X ≤ m) ≥ 0,5 a P(X ≥ m) ≥ 0,5. V případě spojitého rozdělení zadaného hustotou pravděpodobnosti f pro medián platí:

m

∫

f(x)dx = 0,5

−∞

Směrodatná odchylka SX Charakterizuje variabilitu znaku v týchž jednotkách měření, v jakých jsou udány hodnoty znaku podle:

n

S

X

=

∑ ( x − x) i =1

2

1

n

Variační koeficient VX Je definován jako podíl směrodatné odchylky a aritmetického průměru sledovaného znaku x, vyjádřený v procentech podle:

VX =

SX X

31

⋅ 100

Anova Je test shody středních hodnot pro více výběrů. H0: µ1 = µ2 = µ3 = … = µk H1: alespoň mezi dvěma středními hodnotami existuje statisticky významný rozdíl

Scheffeho test Je to mnohonásobné porovnání datových souborů.

Krabicový graf Krabicový graf je jedním z nejpoužívanějších způsobů grafického znázornění. Umožňuje především znázornění odhadu polohy mediánu, posouzení symetrie rozdělení a identifikaci odlehlých měření. (Drápela, Zach, 1999)

32

5 Výsledky 5.1 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti Ve všech třech lokalitách byl naměřen dostatečný počet dat a vzorek je tak reprezentativní. Popisnou statistiku daných souborů znázorňuje Tab. 11, grafické zobrazení naměřených dat je na Obr. 12. Výsledné hodnoty meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken mají u všech zkoumaných lokalit podobnou hodnotu průměru a mediánu (střední hodnoty), z čehož vyplývá rovnoměrné rozložení dat kolem střední hodnoty. Modus (nejčastější jednotka kvantitativního znaku) je v první lokalitě výrazně odlišný než průměr a v druhé a třetí lokalitě je vícenásobný, což znamená, že se ve statistickém souboru nachází více jednotek o stejném (nejvyšším) kvantitativním znaku. V první a třetí lokalitě se nachází vždy jedna extrémně nízká hodnota, která mohla být způsobena chybou v měření. Všechny tři lokality se vyznačují poměrně vysokou hodnotou koeficientu proměnlivosti a rozptylu.

Lokalita

1

2

3

průměr

105

124

143

372

Průměr (MPa)

16,57

15,59

16,29

16,15

Medián (MPa)

16,37

15,58

16,19

16,05

Modus (MPa)

14,52

vícenásobný

vícenásobný

-

Minimum (MPa)

0,04

9,49

0,08

3,20

Maximum (MPa)

22,17

22,48

22,48

22,38

Dolní kvartil (MPa)

14,97

13,80

14,44

14,40

Horní kvartil (MPa)

18,47

17,40

17,89

17,92

Rozptyl (MPa)

9,58

6,62

8,70

24,9

Sm.odch. (MPa)

3,09

2,57

2,95

2,87

Var. koeficient (%)

18,68

16,51

18,11

17,77

Počet měření (ks)

Tab. 11 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti (popisná statistika) 33

Obr. 12 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti

Pro testování shody středních hodnot byla provedena analýza rozptylů (ANOVA). Graficky je tato analýza vyjádřena na Obr. 13., kde vertikální sloupce označují 0,95 intervaly spolehlivosti. Z jednofaktorové analýzy vyplývá, že existuje statisticky významný rozdíl v rozptylech středních hodnot mezi zkoumanými lokalitami. Proto byl proveden Scheefeho test mnohonásobného porovnání. Z jeho výsledků je patrné, že existuje statisticky významný rozdíl ve středních hodnotách mezi lokalitami 1 a 2. Mezi ostatními lokalitami statisticky významná odlišnost není. Výsledky Scheefeho testu jsou zaznamenány v Tab. 12.

34

17,5

17,0

Fmax (MPa)

16,5

16,0

15,5

15,0

14,5 1

2

3

lokalita

Obr. 13 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti – ANOVA1F

lokalita

1

1 2

0,038497

3

0,759014

2

3

0,038497

0,759014 0,138800

0,138800

Tab. 12 Vyhodnocení Scheefeho testu vícenásobného porovnání podle lokalit

5.2 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice Při měření byl zaznamenán stejný počet vzorků s orientací na jižní a severní stranu. Vzorky jsou rovnoměrně zastoupeny ze všech tří stanovišť. Popisná statistika, která je zaznamenaná v Tab. 13, vypovídá o vlastnostech souboru dat. V obou případech jsou hodnoty průměru, modu i mediánu poměrně podobné, takže rozložení dat okolo střední hodnoty je vyvážené a také nejčastější hodnota se vyskytuje blízko průměru. Extrémní

35

hodnoty se vyskytují pouze ve vzorcích se severní orientací, což má vliv na výrazně větší hodnotu koeficientu proměnlivosti a rozptylu.

Orientace

Jižní

Severní

186

186

Průměr (MPa)

16,04

16,23

Medián (MPa)

15,94

16,14

Modus (MPa)

16,26

15,31

Minimum (MPa)

9,43

0,04

Maximum (MPa)

22,48

22,48

Dolní kvartil (MPa)

14,10

14,61

Horní kvartil (MPa)

17,72

18,19

Rozptyl (MPa)

6,20

10,58

Sm.odch. (MPa)

2,49

3,25

Var. koeficient (%)

15,52

20,04

Počet měření (ks)

Tab. 13 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice (popisná statistika)

Obr. 14. graficky znázorňuje rozložení hodnot ve statistickém souboru. Z grafu vyplývá, že vzorky získané ze severní strany vykazují vyšší hodnoty než vzorky z jižní strany. Rozdíl v těchto hodnotách však není nijak výrazný.

36

Obr. 14 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice

Z výsledků t-testu a F-testu (Tab. 14) vyplývá, že neexistuje statisticky významný rozdíl mezi výběrovými průměry a ani mezi výběrovými rozptyly u zkoumaných souborů. Tento závěr potvrzuje i krabicový graf (Obr. 14), z kterého je patrné, že jsou si oba průměry i rozptyly velice podobné.

Průměr Směrodatná odchylka Pozorování Počet stupňů volnosti P(F<=f) (1) F krit (1) P(T<=t) (2) t krit (2)

Jižní

Severní

16,04269 2,489909 186 370 0,000311 1,705777 0,531199 -0,62677

16,23091 3,251956 186 346,4297

Tab. 14 Výsledky dvouvýběrového F-testu a t-testu podle expozice

37

5.3 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru Počet vzorků z různé polohy po poloměru je poměrně nevyrovnaný. Zatímco z polohy A bylo naměřeno 74 vzorků, v poloze H to byly pouze 4 vzorky. Tento nepoměr se může projevit v zavádějících výsledcích. Průměr a medián se opět u všech kategorií podobá, takže rozložení dat okolo střední hodnoty je rovnoměrné. Modus je ve většině případů vícenásobný. Extrémní hodnoty se vyskytují v polohách A a D. Tento fakt se projevuje ve vyšší hodnotě koeficientu proměnlivosti a rozptylu. Tyto hodnoty jsou vysoké také u polohy C. Nejnižší rozptyl a koeficient proměnlivosti jsou v poloze H, to je však z důvodu nízkého počtu prvků pochopitelné. Všechny hodnoty popisné statistiky jsou shrnuty v Tab. 15.

Poloha po poloměru

A

B

C

D

E

F

G

H

Počet měření (ks)

74

73

76

69

48

19

9

4

Průměr (MPa)

17,00

17,28

16,35

14,92

15,40

14,91

14,74

14,19

Medián (MPa)

16,49

17,36

16,06

14,68

15,71

14,75

14,74

14,46

vícenás.

vícenás.

15,31

14,52

vícenás.

vícenás.

vícenás.

vícenás.

Minimum (MPa)

0,08

11,74

9,43

0,04

10,78

10,18

12,96

12,92

Maximum (MPa)

22,48

22,00

21,85

22,00

20,74

18,62

18,41

14,91

Dolní kvartil (MPa)

15,19

15,93

14,34

13,59

13,94

13,59

13,78

13,68

Horní kvartil (MPa)

19,58

19,10

18,53

16,67

16,81

16,23

15,40

14,69

Rozptyl (MPa)

12,00

5,70

7,88

8,80

4,05

4,04

2,77

0,76

Sm.odch. (MPa)

3,46

2,39

2,81

2,97

2,01

2,01

1,67

0,87

Variační koeficient (%)

20,38

13,81

17,17

19,89

13,07

13,48

11,30

6,14

Modus (MPa)

Tab. 15 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru (popisná statistika)

38

Rozložení naměřených hodnot podle polohy po poloměru názorně zobrazuje graf na Obr. 15. Z tohoto grafu je patrný sestupný trend hodnot od polohy A k poloze H.

Obr. 15 Mez pevnosit dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru

Výsledky jednofaktorové analýzy rozptylu vyvrátily nulovou hypotézu, která tvrdí, že mezi soubory není statisticky významný rozdíl v rozptylech středních hodnot. Také graf na Obr. 16. potvrzuje, že mezi některými segmenty existuje rozdíl. Z grafu je také patrné, že u segmentů F, G a H jsou široké intervaly spolehlivosti, což je způsobeno nižším zastoupením vzorků. Po zamítnutí nulové hypotézy byl použit Scheefeho test vícenásobného porovnání. Z tohoto testu bylo zjištěno, mezi kterými segmenty je statisticky významný rozdíl v rozptylech středních hodnot. Z Tab. 16. je patrno, že statisticky významný rozdíl v rozptylech středních hodnot je mezi segmenty A, D a B, D (v tabulce označeno červeným písmem). Mezi ostatními segmenty tento rozdíl zjištěn nebyl. Je to však způsobeno širokými intervaly spolehlivosti u posledních tří segmentů. Při obsáhlejším vzorku dat by tak patrně byl zjištěn i rozdíl mezi posledními třemi a prvními třemi segmenty.

39

19 18 17

Fmax (MPa)

16 15 14 13 12 11 10 A

B

C

D

E

F

G

H

poloha po polom ěru

Obr. 16 Mez pevnosit dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru ANOVA – 1 − F

Poloha po poloměru

A

A

B

C

D

E

F

G

H

0,999746

0,954239

0,005759

0,208550

0,282862

0,612141

0,784862

0,745127

0,000648

0,065306

0,136747

0,448312

0,685610

0,208792

0,840978

0,766604

0,906908

0,938290

0,996445

1,000000

1,000000

0,999931

0,999653

0,999618

0,998122

1,000000

0,999958

B

0,999746

C

0,954239

0,745127

D

0,005759

0,000648

0,208792

E

0,208550

0,065306

0,840978

0,996445

F

0,282862

0,136747

0,766604

1,000000

0,999653

G

0,612141

0,448312

0,906908

1,000000

0,999618

1,000000

H

0,784862

0,685610

0,938290

0,999931

0,998122

0,999958

0,999997 0,999997

Tab. 16 Vyhodnocení Scheefeho testu vícenásobného porovnání podle polohy po poloměru 40

6 Diskuse Cílem této práce bylo zjistit vliv nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé (Salix alba L.). Veškeré měření bylo prováděno na vzorcích, jejichž vlhkost odpovídala surovému stavu dřeva (w ≥ MH). Průměrná naměřená hustota vzorků ze všech tří lokalit byla 745 kg∙m-3. Při srovnání s literaturou odpovídá tato hodnota 50% vlhkosti dřeva (Bozděch a Čermák, 1987). Můžeme tedy s jistotou říci, že vlhkost měřených vzorků překračovala bod nasycení vláken. Působení nízkých teplot na dřevo a následné měření meze pevnosti nebylo ještě dostatečně prozkoumáno, z tohoto důvodu je obtížné srovnání s jinými autory. Také o vrbovém dřevu je stále málo poznatků. Dřevo vrby není příliš zajímavým druhem pro výzkum, a proto se o něm literatura zmiňuje jen okrajově. Z tohoto důvodu je v této práci jako srovnávací dřevina použit topol (v nemraženém stavu), který by měl mít podobné fyzikální a mechanické vlastnosti (velmi podobná makroskopická a mikroskopická stavba). Dále je nutno dodat, že rozdíl mezi naměřenými hodnotami a hodnotami, které uvádí literatura (Ugolev, 1986 a Požgaj et al., 1993) může být způsoben odlišnými metodickými přístupy. Zpravidla není uvedeno z jaké lokality a z jaké polohy ve kmeni byly vzorky odebrány. Jaké bylo jejich množství, jakým způsobem byl proveden jejich výběr, měření, třídění, a podobně. Nebývá také uvedena výšková poloha stromů a umístění zkušebních vzorků po poloměru kmene. Určité zkreslení může nastat také při porovnávání výsledků s topolovým dřevem. Vliv nízkých teplot na mez pevnosti dřeva vysvětluje Požgaj et al. 1993 takto: Interakce vyšší vlhkosti a nízkých teplot zapříčiňuje prudké změny v pevnostních vlastnostech dřeva a to především vytvářením ledové mřížky, která vyplní lumeny dřevních buněk. Změnu pevnosti je možno vysvětlit vznikem ledu. Se zvyšováním vlhkosti se stále více lumenu v dřevě zaplňuje ledem, což vede ke stoupající pevnosti. Toto zvýšení pevnosti trvá do stavu, až sloupce ledu vytvoří souvislou mřížku. Při vlhkosti přibližně 85% už zatížení v podstatě začíná nést led, protože ledová mřížka je méně plastická než dřevo (Požgaj et al. 1993).

6.1 Výsledky meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti Průměrná naměřená hodnota meze pevnosti ze všech tří lokalit byla 16,15 MPa. Tato hodnota je o 11,5% nižší než uvádí literatura u nemraženého topolového dřeva (Ugolev, 1986). Nejnižší mez pevnosti byla naměřena v lokalitě číslo 2. (15,59 MPa) naproti tomu nejvyšší v lokalitě číslo 1. (16,57 MPa). Z těchto výsledků měření lze

41

vysledovat, že dřevo stromů rostoucích ve vlhkém prostředí má ve zmraženém stavu nepatrně vyšší mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken. Dále lze soudit, že vliv nízké teploty pohybující se okolo -20°C a působíci na dřevo nemá podstatný vliv na mez pevnosti dřeva.

6.2 Výsledky meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice Z porovnání vzorků ze všech tří lokalit v závislosti na orientaci ke světové straně bylo zjištěno, že se hodnoty pevnosti výrazně neliší a jsou si téměř rovny. Vzorky odebrané ze severní strany dosahují v průměru hodnoty 16,23 MPa, vzorky ze strany jižní dosahují v průměru hodnoty 16,04 MPa. Dřevo ze severní části kmene má v průměru o 1,2% vyšší mez pevnosti než dřevo z jižní části. Můžeme tedy konstatovat, že vliv světové strany má zanedbatelný vliv na mez pevnosti dřeva a nemá pro nás zásadní význam. Jedná se tedy o standardní průběh pevnosti dřeva po poloměru kmene, jak uvádí literatura (Vraštil, 2009).

6.3 Výsledky meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru Pro malý počet vzorků bylo statistické vyhodnocení vypracováno pro všechny tři lokality současně. Z grafu (obr. 16) vyplývá klesající tendence po poloměru kmene. Pevnost dřeva klesá ve směru od kambia do středu kmene. Naměřené hodnoty se pohybují v rozmezí 17,28–14,19 MPa. Lze tedy říci, že rozdíl meze pevnosti mezi dřevem v obvodových částech kmene a dřevem v blízkosti dřeně se pohybuje kolem 20%. Naměřený rozdíl můžeme považovat za výrazný. Dosažené rozdíly meze pevnosti po poloměru se shodují s literaturou (Vraštil, 2009). Je ovšem nutné vzít v úvahu, že u většiny kmenů se nepodařilo vymanipulovat vorky v plném rozsahu. Nestejná šíře kmenů má za následek, že počet vzorků z různých poloh po poloměru je poměrně nevyrovnaný. Zejména vzorky z polohy F – H svým malým počtem mohou udávat zkreslené výsledky. Avšak i u početně zastoupenějších vzorků lze pozorovat již popsaný vývoj. Naměřené výsledky se neshodují s popisem v literatuře (Požgaj et al., 1993). Jako vysvětlení této neshody je nutno poukázat na nedostatečnou teplotu zmražení dřeva, která se pohybovala okolo -20°C.Požgaj pracuje s teplotou -42°C. Je možno předpokládat, že pevnost ledu v měřených vzorcích nedosahovala takových hodnot, které by ovlivnili mez pevnosti. Dále je nutno poukázat na vliv vlhkosti. Je možné, že při průměrné vlhkosti zkušebních vzorků v této práci (okolo 50%), nedochází k dostatečnému vyplnění lumenů dřevních buněk a vzniklá ledová mřížka je nedostačující. Nepatrné zkreslení může také

42

vzniknout porovnáváním hodnot vrbového dřeva se dřevem topolovým. Jako hlavní důvod nízké tlakové pevnosti však lze předpokládat nedostatečné zmražení dřeva.

43

7 Závěr Tato bakalářské práce byla prováděna za účelem zjištění vlivu nízkých teplot na mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken u vrby bílé (Salix alba L.). Při měření byly na základě 377 kusů vzorků zjištěny tyto výsledky. •

Průměrná mez pevnosti zmraženého vrbového dřeva v tlaku ve směru vláken u všech tří lokalit je 16,15 MPa.

•

Rozdíly meze pevnosti mezi jednotlivými lokalitami jsou poměrně malé, ale lze vysledovat malé zvýšení pevnosti u lokality č. 1 (vlhká lokalita) oproti zbývajícím (suchým) lokalitám.

•

Zmražení dřeva (okolo -20°C) nemá podstatný vliv na pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken oproti dřevu v nezmraženém stavu.

•

Nebyl zjištěn statisticky významný rozdíl v pevnosti dřeva mezi severní a jižní částí kmene.

•

Mez pevnosti je závislá na poloze dřeva po poloměru kmene. Nejvyšší pevnost je v kambiální části, směrem ke středu dochází k snižování.

Na základě zjištěných hodnot můžeme konstatovat, že na mez pevnosti zmraženého dřeva v tlaku ve směru vláken má nepatrný vliv stanoviště a orientace ke světové straně. Naopak u polohy dřeva po poloměru kmene byly naměřeny odlišné hodnoty. Tyto poznatky by měly být při používání zmraženého dřeva zohledněny. Vyvstává otázka možnosti použití zmraženého dřeva. Se zmraženým dřevem je možno se setkat ve dvou podobách. Častější způsob je přirozené, přírodní zmražení, které se vyskytuje například při těžbě dřeva v zimním období, popřípadě při uložení dřeva ve skladech, kde je mráz chápán jako ochrana kulatiny. Druhý způsob je umělé zmražení dřeva. Je dokázáno, že při řezání zmraženého dřeva jsou řezné plochy hladší, dochází k menšímu zahřívání řezného nástroje a může být použita nižší řezná rychlost. Také dřevo vystavené nízkým teplotám u dřevěných venkovních staveb převážně v severských zemích je častá skutečnost. Poznatky a použití zmraženého dřeva stále ještě nedosáhly svých limitů a tato oblast bude v budoucnu jistě zkoumána.

44

8 Souhrn Hlavním cílem této bakalářské práce bylo zjištění variability tlakové pevnosti zmraženého dřeva vrby bílé (Salix alba L.) ve směru vláken. Práce byla zpracována formou experimentu. Ze tří lokalit v okolí Židlochovic na Moravě bylo vybráno 21 stromů (z každé lokality 7) a z každého kmene byl následně vymanipulován jeden výřez. Stromy byly vybrány za účelem co nejobjektivnějšího reprezentování dané lokality. Z každého výřezu byly postupně vyrobeny speciálně ortotropní tělíska o rozměrech 20 x 20 x 30 mm, na kterých bylo prováděno samotné měření. Dosažené výsledky byly statisticky vyhodnoceny. Měřením bylo zjištěno ovlivnění meze pevnosti zmraženého dřeva ve směru vláken v závislosti po poloměru kmene. Naopak vliv meze pevnosti v závislosti na orientaci kmene ke světové straně a vliv stanovištních podmínek se ukázal jako zanedbatelný.

45

Summary The principal goal of this bachelor’s thesis is evaluating the variability of compressive strength of frozen wood of White Willow (Salix alba L.) parallel to the grain. This is an experimental work. 21 trees were selected from three locations near Moravian town of Židlochovice (7 trees from each location). A segment was cut out from each tree. The trees were selected to represent a fair sample of each location. The measurement was performed on special orthotropic blocks sized 20 x 20 x 30 mm that were produced from each segment. The values obtained were evaluated statistically. The measurement demonstrates the influence of the trunk radius on the compressive strength of frozen wood parallel to grain. Conversely, the dependency of the compressive strength on the trunk geographic orientation and on the local conditions shows to be negligible.

46

9 Seznam použité literatury BOZDĚCH, Jiří, ČERMÁK, Josef. Tabulky hmotnosti ihličnatého listnatého dreva Alfa: 1987. ISBN 63−005−87. DRÁPELA, Karel, ZACH, Jan. Statistické metody I : Pro obory lesního, dřevařského akrajinného inženýrství. 1. vyd. [s.l.] : Ediční středisko MZLU v Brně, 1999. ISBN 80−7157−416−3. GANDELOVÁ, L., HORÁČEK, P., ŠLEZINGEROVÁ, J.. NAUKA O DŘEVĚ. 2. VYD. BRNO : Mendelova ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA, 2004. 184 S. ISBN 80−7157−577−1. CHMELAŘ, J. 1983. Dendrologie s ekologií lesních dřevin 1. vydání. Vysoká škola zemědělská v Brně, 133 s. 17–109–83 LEXA, J. a kol. Mechanické a fyzikálne vlastnosti dreva, I. Svazok technologie dreva, Bratislava: Práca, 1952. PERELYGIN, L.m. Náuka o dreve. Bratislava : [s.n.], 1965. 285 s. ISBN 63‒552‒65. POŽGAJ, A., ET AL. ŠTRUKTŮRA A VLASTNOSTI DREVA. [s.l.] : [s.n.], 1997. 488 s. ISBN 80−07−00960−4. QUITT, E. KLIMATICKÉ OBLASTI ČSR 1 : 500 000, GEOGRAFICKÝ ÚSTAV ČSAV BRNO, 1975. ŠLEZINGEROVÁ, J., GANDELOVÁ, L., HORÁČEK, P. Nauka o dřevě 2. VYD. Brno: MZLU 2004. 184 s. ISBN 80−7157−577−1. ŠLEZINGEROVÁ, J., GANDELOVÁ, L. Stavba dřeva-cvičení, 1. vydání 1999, dotisk 2004, Brno: MZLU, 2004. 132 s. ISBN 80−7157−400−7. UGOLEV, V.N. Drevesinovedenije s onovami lesnovo tovarovedenija. Moskva 1986. 365 s. ÚRADNÍCEK, L., MADĚRA P. Dřeviny české republiky. Písek : Matice lesnická, 2001, 333s ISBN 80−86271−09−9. WAGENFÜHR, R. Holzatlas, 5. vydání 2000, München: Fachbuchverlag Leipzig imCarl Hansen Verlag , 707 s. ISBN 3−446−21390−2. ČESKÝ NORMALIZAČNÍ INSTITUT, ČSN EN 310 Stanovení modulu pevnosti v tlaku, Český normalizační institut. Praha 1995. 8 s. VYDAVATELSTVÍ NOREM, ČSN 49 0111 Metoda zjišťování modulu pružnosti v tlaku podél vláken, Vydavatelství norem. Praha 1992. 8 s. ÚŘAD PRO NORMALIZACI, ČSN 49 0110 Pevnost v tlaku ve směru vláken, Úřad pro normalizaci. Praha 1961. 4 s. Mapový server ÚHÚL, [online][citováno 21. 2. 2010] Dostupné na World Wide Web: . 47

VYMAZAL, Miloš. Garten [online]. [cit. 22. 2. 2010]. Dostupné z WWW: . ŠÁCHOVÁ, Kateřina. Fyzikální vlastnosti dřeva [online]. [cit. 18. 2. 2010]. Dostupné z WWW: . Wikipedia.org [online]. [cit. 16. 2. 2010]. Dostupné z WWW: . Lukášek, Dřevo, fyzikální a mechanické vlastnosti [online]. [cit. 19. 2. 2010]. Dostupné z WWW: . VAVRČíK, et al. Anatomická stavba dřeva : multimediální výukový materiál [online][cit. 19. 2. 2010]. Dostupné na World Wide Web: .

48

10 Přílohy

10.1 Seznam tabulek

Tab. 1 Průměrné hodnoty hustoty dřeva při 0% vlhkosti (ρ0 ), 12% vlhkosti (ρ12 ) a konvenční hustoty (ρk) ...........................................................................................15

Tab. 2 Moduly pružnosti a smykové moduly vybraných dřev v hlavních směrech pružné symetrie (w=11−12%) (podle Ugoleva 1986 a Požgaje et al. 1993) ................17

Tab. 3 Hodnoty meze pevnosti v tlaku ve směru vláken pro dřevo některých dřevin při různé vlhkosti (Ugolev, 1986) ...................................................................18

Tab. 4 Hodnoty konvenční meze pevnosti dřeva v tlaku napříč vláken u vybraných dřevin (Ugolev 1986, Požgaj et al. 1993) .................................................19

Tab. 5 Průměrné hodnoty mechanických vlastností vybraných dřevin (Perelygin 1965, Lexa1952) .......................................................................................................20

Tab. 6 Velikosti a značení lokalit.........................................................................................21 Tab. 7 Klimatické podmínky lokalit (Quitt, 1975)................................................................21 Tab. 8 Lokalita č. 1 (128A3) ...............................................................................................24 Tab. 9 Lokalita č. 2 (122C3B) .............................................................................................25 Tab. 10 Lokalita č. 3 (122A2B) .............................................................................................25 Tab. 11 Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti (popisná statistika) ..................................................................................................................33

Tab. 12 Vyhodnocení Scheefeho testu vícenásobného porovnání podle lokalit .......................35 Tab. 13 Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice (popisná statistika) ...................36 Tab. 14 Výsledky dvouvýběrového F−testu a t−testu podle expozice .....................................37 Tab. 15 Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru (popisná statistika) ...................38 Tab. 16 Vyhodnocení Scheefeho testu vícenásobného porovnání podle polohy po poloměru .................................................................................................................40

49

10.2

Seznam obrázků

Obr. 1 Salix alba L. (www.biolib.de) ............................................................................. 10 Obr. 2 Detaily Salix alba L. (www.biolib.de) ........................................................................11 Obr. 3 Makroskopická stavba vrby na jednotlivých řezech (Vavrčík et al. 2002 ....................12 Obr. 4 Mikroskopická stavba vrby na jednotlivých řezech (Vavrčík et al. 2002) ...................13 Obr. 5 Celková lokalizace území odebraných vzorků M: 1 : 37 000 (www.uhul.cz, 2010) ........... 22 Obr. 6 Družicový snímek lokality č. 1 (128 A3) M: 1 : 25 00 (www.uhul.cz, 2010) ........... 23 Obr. 7 Družicový snímek lokality č. 2 (122C3B) M: 1 : 2 500 (www.uhul.cz,2010) ............ 23 Obr. 8 Družicový snímek lokality č. 3 (122A2B) M: 1 : 2 500 (www.uhul.cz, 2010).............24 Obr. 9 Způsob pořezu jednotlivých částí ........................................................................ 26 Obr. 10 Měřicí přístroj firmy ZWICK Gmbh, &CO, typ Z050/TH3A ................................ 28 Obr. 11 Okno měřicího softwaru trhacího stroje .............................................................. 29 Obr. 12 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti .................... 34 Obr. 13 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na stanovišti – ANOVA 1 − F ...........................................................................................................................35

Obr. 14 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken dle expozice ..................................... 37 Obr. 15 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru ..................................... 39 Obr. 16 Mez pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken po poloměru ANOVA – 1 − F ............ 40

50