Třídění a návrhové charakteristiky konstrukčního dřeva

1 Úvod

Dřevo, které je přírodním anizotropním materiálem, vykazuje proti umělým konstrukčním materiálům (např. oceli) poměrně vysokou variabilitu vlastností. Příčinou vysokého rozptylu mechanických vlastností dřevěných konstrukčních prvků jsou jednak přirozené vady dřeva (suky, odklon vláken, trhliny apod.), jednak variabilita bezvadného dřeva, způsobená hlavně proměnlivostí hustoty (obecně struktury) dřeva. Rozdíly v pevnosti bezvadného dřeva jsou i v rámci jedné dřeviny značné: největší hodnoty jsou asi 2 až 3násobkem nejmenších. U konstrukčního dřeva s vadami je toto rozpětí ještě větší, přitom u řeziva je nepříznivější než u výřezů (kulatiny). Pro dimenzování nosných prvků je směrodatná nejmenší pevnost a je zřejmé, že vysoká variabilita mechanických vlastností je překážkou efektivního využití konstrukčního dřeva.

Jedním z klíčových problémů efektivního používání dřeva jako konstrukčního materiálu je garance jeho technických parametrů. Na rozdíl od umělých konstrukčních materiálů (oceli, betonu, plastů), jejichž jakost lze při výrobě ovlivnit podle účelu použití, lze u dřeva zabezpečit požadovanou jakost pouze tříděním. Přitom se rozlišuje třídění konstrukčního řeziva (v praxi dřevěných konstrukcí je převládající) a třídění výřezů/kulatiny pro nosné účely.

Obrázek 1 – Statistické rozdělení pevnosti konstrukčního řeziva v ohybu:
a – soubor řeziva jedné třídy; b – soubor řeziva rozdělený do tří tříd;
R_k označuje charakteristickou pevnost

Třídění řeziva je podle ČSN 49 0002 [1] dílčí operace při výrobě řeziva, spočívající v rozdělování jednotlivých kusů řeziva podle určitých rozlišovacích znaků do stanovených tříd. Rozlišuje se třídění řeziva podle rozměrů (ČSN EN 1313-1 [2]) a třídění podle jakosti, které se rozděluje na třídění nekonstrukčního řeziva a třídění konstrukčního řeziva s nosnou funkcí, při kterém se jakost řeziva posuzuje se zřetelem na jeho mechanické vlastnosti.

Třídění konstrukčního řeziva, kterým se základní surovina rozděluje do tříd, v nichž vlastnosti kolísají v porovnání s netříděným materiálem v menším rozsahu, částečně eliminuje nepříznivý účinek vysoké proměnlivosti mechanických vlastnosti řeziva. Výzkumné práce vykonané v zahraničí i u nás přitom ukázaly, že běžné tzv. obchodní třídění (u nás pro nekonstrukční jehličnaté řezivo podle ČSN EN 1611-1 [3]), které je založeno převážně na vzhledu řeziva, nevyjadřuje efektivně jeho mechanické vlastnosti. U stavebního řeziva s nosnou funkcí proto dochází k požadavku účelového tzv. pevnostního třídění (anglicky „stress grading“), při kterém se řezivo posuzuje se zřetelem na jeho mechanické vlastnosti. Toto třídění lze realizovat vizuálním ohodnocením řeziva (tzv. vizuální třídění) nebo mechanizovaným způsobem (pomocí strojů).

Vizuální třídění podle pevnosti je proces, kterým je dřevo vizuální kontrolou a posuzováním zatříděno do tříd, ke kterým mohou být přiřazeny charakteristické hodnoty pevnosti, modulu pružnosti a hustoty.

Strojní třídění podle pevnosti je proces, kterým je dřevo tříděno nedestruktivním strojním snímáním jedné nebo více vlastností dřeva strojem při nutné vizuální kontrole do tříd, ke kterým lze přiřadit charakteristické hodnoty pevnosti, modulu pružnosti a hustoty.

Základní požadavky pro vizuálně a strojně tříděné konstrukční dřevo s obdélníkovým průřezem opracované řezáním, frézováním nebo jinými způsoby stanovuje ČSN EN 14081-1 [4].

Při vizuálním třídění konstrukčního řeziva patří k hlavním parametrům (kritériím) třídění rozsah suků, odklon vláken, trhliny aj. vady řeziva. Při strojním třídění je parametrem zpravidla hodnota modulu pružnosti řeziva v ohybu.

2 Vizuální třídění podle pevnosti

Předpisy pro vizuální třídění dřeva na nosné stavební konstrukce jsou v účinnosti v řadě evropských států. Tato problematika byla rovněž předmětem mezinárodní normalizace [5], [6].

V rámci CEN (Evropská normalizační organizace) se ukázalo, že vzhledem k rozdílům v existujících pravidlech vizuálního třídění používaných v různých zemích, není v současnosti možné stanovit jediný přijatelný soubor pravidel pro všechny členské státy a nebylo proto možné vypracovat společnou evropskou normu. V evropské normě ČSN EN 14081-1 jsou proto stanoveny základní principy pro pravidla vizuálního třídění, které se mají respektovat při formulaci národních předpisů.

V České (popř. bývalé Československé) republice mají normy pro dřevo na stavební konstrukce dlouhodobou tradici dobré shody s odpovídajícími německými předpisy. S přihlédnutím k tomu a pro dosažení souladu naší normy s EN 14081-1 bez náročných a nákladných zkoušek, byla převzata (se souhlasem DIN) německá norma pro třídění jehličnatého dřeva podle pevnosti DIN 4074-1 [7] do ČSN. Stejně postupovalo i Rakousko a v tomto středoevropském regionu (Německo, Rakousko, ČR) platí pro třídění jehličnatého řeziva na stavební konstrukce společný předpis (DIN 4074-1:2012 = ÖNORM DIN 4074-1:2012 = ČSN 73 2824-1), což usnadňuje mezinárodní spolupráci v tomto ohledu. Na obdobném postupu jsou založeny i švýcarské předpisy.

Při vizuálním třídění se konstrukční řezivo klasifikuje podle vnějších znaků, tzv. vad dřeva a vad výroby, které se posuzují se zřetelem na jejich vliv na mechanické vlastnosti.

Obrázek 2 – Rozměry suků u prken a fošen podle DIN 4074-1 / ČSN 73 2824-1
Legenda: 1 suk na úzké straně, 2 hranový suk

ab
Obrázek 3 – Princip měření suků metodou KAR: a – schéma suků u hraněného řeziva; b – projekce suků na plochu průřezu

ČSN 73 2824-1 Třídění dřeva podle pevnosti – Část 1: Jehličnaté řezivo [8] rozlišuje podle vizuálně zjistitelných znaků tři třídy: S 7, S 10 a S 13. Kritéria třídění se vztahují k referenční průměrné vlhkosti 20 %. Při řezání řeziva je proto třeba pamatovat na nadmíru s uvážením sesychání.

Jednou z hlavních charakteristik (vad) konstrukčního řeziva pří vizuálním třídění jsou suky. Bylo zjištěno, že vliv suků na pevnost řeziva závisí především na tom, jaký podíl průřezu prvku zabírají. Dovolené rozměry suků jsou proto obvykle stanoveny v závislosti na rozměrech průřezu řeziva (obrázek 2), nebo se přímo odhaduje jejich průřezový podíl (obrázek 3). Druhý postup je známý jako metoda KAR (z anglického „knot area ratio“, tj. podíl projekce suků k příslušné ploše průřezu řeziva). Suky se přitom posuzují nejprve v celém průřezu, a potom ještě v tzv. okrajových zónách (obrázek 3). Na metodě KAR je založena britská norma BS 4978 [9] a také mezinárodní norma ISO 9709 [6]

Další kontrolované charakteristiky při vizuálním třídění jsou odklon vláken, rozsah trhlin, oblin, šířka letokruhů, zakřivení řeziva aj.

Vizuální třídění neumožňuje efektivně uvážit účinek hustoty dřeva, která má výrazný vliv na výslednou pevnost konstrukčního prvku. Například přířez řeziva s vysokým podílem suků a vysokou hustotou (pevností) bezvadného dřeva může vykazovat větší pevnost, než prvek s podstatně menším podílem suků a nízkou hustotou (pevností) bezvadného dřeva.

Vizuální třídění konstrukčního dřeva je svou podstatou složitým a málo přesným postupem s omezenými možnostmi zdokonalení. Přesnost dosažitelná při kontrole parametrů vizuálního třídění (suků, odklonu vláken aj.) je relativně nízká. Účinnost vizuálního třídění, vyjádřená součinitelem korelace parametrů třídění a pevností řeziva je podle [11] asi 0,4 až 0,6. Realizace tohoto třídění v praxi je pro jeho komplikovanost často problematická, tj. jeho skutečná účinnost je ještě nižší. To potvrdily výsledky zkoušek pevnosti v ohybu hraněného řeziva (smrk), tříděného podle rakouských, švýcarských, německých a francouzských předpisů [10].

Možnost zlepšení vizuálního třídění konstrukčního řeziva proto spočívá především v zjednodušení tohoto postupu, které neovlivní významně účinnost a výtěž třídění [11]. Lze konstatovat, že současná norma ČSN 73 2824-1 v zásadě odpovídá tomuto požadavku a umožňuje kromě toho postupy pro zlepšení vizuálního třídění s podporou přístrojů (například vážením nebo měřením kmitání).

Třídění kulatiny na nosné účely. Požadavky pro vizuálně tříděné nosné dřevo kruhového průřezu jsou v návrhu evropské normy prEN 14544 [12], kde jsou stanoveny požadavky na charakteristiky redukující pevnost pro národní normy vizuálního třídění.

Do vydání a zavedení této normy lze pro použití v praxi doporučit DIN 4074-2 [13].

3 Mechanické (strojní) třídění podle pevnosti

V posledních 50 letech došlo v celosvětovém měřítku k rozvoji dokonalejšího způsobu třídění konstrukčního řeziva, tzv. mechanického nebo strojního třídění.

Strojní třídění bylo původně založeno na poznatku, že tuhost v ohybu konstrukčního řeziva je lepším kritériem jeho pevnosti než vizuální posouzení, tj. na závislosti pevnosti a modulu pružnosti řeziva v ohybu. Pro bezvadné dřevo byla závislost jeho mechanických vlastností na modulu pružnosti v ohybu známá již dlouho před vývojem strojního třídění, pro konstrukční řezivo se suky byly uskutečněny základní experimentální práce asi před 50 lety v Sev. Americe, Velké Britanii aj.

Hlavním parametrem strojního třídění podle průhybu je tedy hodnota modulu pružnosti řeziva v ohybu E. Strojním tříděním se odhaduje pevnost řeziva nepřímo na základě měření jeho tuhosti. Řezivo prochází plynule strojem a měřením velikosti průhybu při určitém zatížení (případně velikosti zatížení při určité průhybu) se nedestruktivním způsobem posuzuje únosnost každého prvku. Řezivo se zpravidla zatěžuje ve směru menšího rozměru průřezu, tj. tloušťky. Zkoušky ukázaly, že takto realizované třídění je dobrým ukazatelem pevnosti i pro namáhání v druhém směru.

Podle dostupných informací byly stroje na třídění řeziva podle pevnosti poprvé použity v r. 1963 v Sev. Americe. V r. 1974 bylo v celém světě v provozu asi 55 strojů a v r. 1987 již téměř 400 strojů [14]. Byla vyvinuta celá řada různých typů strojů, které používají

• optický postup
• postup průhybu
• postup průhybu s rentgenovým a radioaktivním zářením
• postup průhybu s mikrovlnami
• měření vlastní frekvence
• měření ultrazvukem

Obrázek 4 – Schéma principu měření dvou strojů na třídění řeziva podle pevnosti

V průmyslovém používání, které je zpravidla podmíněno udělením licence, je však omezený počet strojů. Typy strojů na třídění řeziva podle pevnosti používané v Evropě (9 základních typů), jsou uvedeny v ČSN EN 14081-4 [15].

Rychlost automatického posuvu řeziva strojem je asi 50 až 300 (450) m/min. Jakost řeziva se kontroluje na každém úseku délky asi 100 mm až 150 mm a označuje se barvou; pro zatřídění celého prvku je směrodatná nepříznivá hodnota.

Na obrázku 4 je schéma měření dvou typů strojů, založených na měření průhybu.

Výhody strojního třídění konstrukčního řeziva:

1. vyšší účinnost proti vizuálnímu třídění; lze vyjádřit poměrem součinitelů korelace asi 0,75/0,5 ≈ 1,5krát vyšší účinnost);
2. vyloučení subjektivních chyb třídění;
3. zjistí a vyloučí se skryté vady z hlediska mechanických vlastností řeziva;
4. možnost efektivního využití řeziva nízké jakosti;
5. zvýšení hodnot návrhových pevností a modulů pružnosti (rozhodují o spotřebě materiálu nosných prvků;
6. strojní třídění lze kombinovat s jinými technologickými operacemi;
7. zhodnocení (zvýšení ceny) exportovaného řeziva;
8. využití řeziva, které by se při vizuálním třídění vyloučilo.

Strojní třídění tedy umožňuje přesun k lepším jakostem z hlediska návrhových pevností řeziva, tj. menší spotřebu materiálu. Podle britských údajů se stroj na třídění řeziva podle pevnosti při dobrém využití „zaplatí“ asi za půl roku.

Stroj na třídění řeziva lze nastavit na jakoukoli hodnotu návrhové pevnosti, která je v rozsahu nosné kapacity tříděného druhu řeziva. Pro zjednodušení navrhování a používání je však účelné nastavit strojní třídy tak, aby zabezpečovaly stejnou nosnou způsobilost (návrhové pevnosti), jako odpovídající vizuální třídy.

V ČR bylo zařízení na strojní třídění řeziva podle pevnosti (finský stroj Raute Timgrader) instalováno v tehdejších Severočeských dřevařských závodech, závod Jirkov. Vzhledem k ekonomickým a společenským změnám probíhajícím v té době však tato instalace nevedla k pozitivnímu přínosu pro praxi a v současné době se u nás na rozdíl od řady vyspělých evropských zemí strojní třídění nepoužívá.

4 Návrhové charakteristiky konstrukčního řeziva

Návrhová pevnost materiálu je při výpočtu podle Eurokódu 5 dána vztahem

R_d = k_mod 

Přitom R_k je charakteristická pevnost materiálu, γ_M > 1 je dílčí součinitel spolehlivosti pro vlastnost materiálu, kterým se převádí charakteristická pevnost na návrhovou hodnotu. Vyjadřuje se jím ta složka rozptylu pevnosti, která není zahrnuta v charakteristické hodnotě a další náhodné nebo nenáhodné vlivy (např. stupeň kontroly). Součinitelem k_mod se vyjadřuje vliv trvání zatížení a vlhkosti materiálu konstrukce.

Eurokód 5 pro navrhování dřevěných konstrukcí používá tzv. třídy pevnosti. Pro rostlé konstrukční dřevo (řezivo), jsou stanoveny včetně charakteristických hodnot v ČSN EN 338 [16] a jsou označeny pro jehličnatě dřeviny C14 až C50 a pro listnaté dřeviny D18 až D70. Pro vysvětlení této koncepce lze poznamenat, že v rámci EU se používá na stavební konstrukce dřevo různých dřevin z evropských zemí popř. importované z Kanady, USA aj. zemí. Počet možných kombinací jednotlivých druhů a tříd konstrukčního dřeva je značný z hlediska navrhování i dodávání.

Systém dvanácti tříd pevnosti C14 až C50 a osmi tříd pevnosti D18 až D70, odstupňovaných podle charakteristické pevnosti dřeva v ohybu, zahrnuje prakticky celý rozsah konstrukčního dřeva od nejhorších jakostí nejslabších druhů dřeva až po nejkvalitnější jakosti listnatého dřeva vysoké hustoty. Pro třídy pevnosti jsou stanoveny charakteristické hodnoty pro tyto vlastnosti: ohyb, tah || a ⊥, tlak || a ⊥, smyk, modul pružnosti E, modul pružnosti ve smyku G.

Pro lepené lamelové dřevo jsou definovány třídy pevnosti a charakteristické vlastnosti v ČSN EN 14080 [17].

Systém tříd pevnosti umožňuje slučovat dřeviny a jakosti (třídy národního třídění) na základě jeho charakteristické pevnosti. Zvolenou třídu pevnosti lze splnit vizuálním nebo strojním tříděním (strojní třídění se v ČR dosud nepoužívá) při použití dřeva různých dřevin, není-li druh dřeva výslovně předepsán např. z hlediska jeho trvanlivosti, ochrany apod.

Normy pro vizuální třídění konstrukčního dřeva jsou v účinnosti v řadě zemí a vztahují se na různé druhy a jakosti dřeva. Aby bylo možné stanovit pro tyto národní jakosti charakteristické vlastnosti pro navrhování podle Eurokódu 5, byla vydána evropská norma ČSN EN 1912 [18], ve které jsou přiřazeny (na základě dlouhodobých zkušeností nebo zatěžovacích zkoušek) k jednotlivým národním jakostem třídy pevnosti podle ČSN EN 338. Například třídě SI podle ČSN 73 2824-1 odpovídá třída pevnosti C24 s charakteristickou pevností v ohybu 24 N/mm² a průměrnou hodnotou modulu pružnosti v ohybu 11 000 N/mm².

Citované dokumenty

• [1] ČSN 490002 Názvosloví pilařské výroby
• [2] ČSN EN 1313-1 Kulatina a řezivo – Dovolené odchylky a přednostní rozměry – Část 1: Jehličnaté řezivo
• [3] ČSN EN 1611-1 Řezivo – Vizuální třídění jehličnatého řeziva − Část 1: Evropské smrky, jedle, borovice a douglasky
• [4] ČSN EN 14081-1 Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo obdélníkového průřezu tříděné podle pevnosti – Část 1: Obecné požadavky
• [5] ECE recommended standards for stress grading and finger jointing of structural coniferous timber. FAO Timber Bull. for Europe, Geneva, November 1982
• [6] ISO 9709:2005 Structural timber − Visual strength grading − Basic principles
• [7] DIN 4074-1 Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit – Teil 1: Nadelschnittholz.
• [8] ČSN 73 2824-1 Třídění dřeva podle pevnosti – Část 1: Jehličnaté řezivo
• [9] BS 4978 Visual strength grading of softwood. Specification
• [10] Kessel, M. H. – Sandoz, J. L.: Zur Effizienz der Festigkeitssortierung von Fichtenkantholz. Holz als Roh- und Werkstoff 1989
• [11] Glos, P.: Die technischen und weirtschsaftlichen Möglichkeiten der Schnitthozsortierung im Mittel- und Kleinbetrieben. SAH Bulll. 1983/1
• [12] prEN 14544 Timber structures – Structural timber with round cross-section – Requirements
• [13] Bauholz für Holzbauteile; Gütebedingungen für Baurundholz (Nadelholz)
• [14] Samson, M. – Hailey, J. R. T.: Status of machine stress-grading of lumber 25 years after commercial implementation. For. Prod. Journ. No 11/12 1989
• [15] ČSN EN 14081-4 Dřevěné konstrukce − Konstrukční dřevo obdélníkového průřezu tříděné podle pevnosti − Část 4: Strojní třídění − Nastavovací hodnoty třídicího stroje pro systémy s kontrolou vztaženou na stroj
• [16] ČSN EN 338 Konstrukční dřevo − Třídy pevnosti
• [17] ČSN EN 14080 Dřevěné konstrukce – Lepené lamelové dřevo a lepené rostlé dřevo – Požadavky
• [18] ČSN EN 1912 Konstrukční dřevo − Třídy pevnosti − Přiřazení vizuálních tříd a dřevin