Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Šetrné diagnostické metody pro hodnocení bezpečnosti dřevěných konstrukcí

Ing. Michal Kloiber, prof. Ing. Miloš Drdácký, DrSc., dr. h.

Recenzovaný

Práce se zabývá přístupy k hodnocení bezpečnosti dřevěných konstrukcí při měření na velmi malých vzorcích odebíraných z konstrukčních prvků nebo při přímém testování in-situ. Použití popisovaných metod je nutné za podmínek stanovených podle EN 16085. Dále je třeba brát na zřetel korelace pevnostních charakteristik získaných z měření pomocí diagnostických přístrojů a mechanických vlastností měřených standardními postupy.

Úvod

Stávající konstrukce, včetně historických, jsou testovány pro účely návrhu opravy a hodnocení bezpečnosti. Diskutované metody byly vybrány pro jejich případné uplatnění na historické dřevěné konstrukce, především památkově chráněné. V takovém případě by měl odběr vzorků nebo opakování testů „in-situ“ vyhovět příslušným standardům týkajícím se intervencí do historických objektů. Technická normalizační komise CEN / TC 346 „Ochrana kulturního dědictví" připravila nejméně dvě platné normy. Norma EN 16096 (srpen 2012) „Ochrana kulturních objektů – Průzkum stavu a zpráva o kulturním dědictví“ vyžaduje, aby hodnocení stavu historických objektů bylo založeno na vizuální prohlídce kombinované s vhodným jednoduchým měřením. Norma EN 16085 (srpen 2012) „Ochrana kulturních objektů – Metodika odběru vzorků – Obecná pravidla“ definuje základní přístupy k odběru materiálu z historických staveb, budov nebo jiných objektů. Nejsou popsána žádná zvláštní pravidla ani počet vzorků, nicméně všechny zásahy a odběry vzorků musí být naplánovány s ohledem na stav objektů a cíle odběru vzorků. Minimální intervence je obecným pravidlem a doporučuje se korelace s jinými nedestruktivními metodami (NDT). Semidestruktivní metody (SDT), tj. přímé techniky, by měly být přednostně použity pro kalibraci nebo prokázání odhadů dosažitelných nepřímými metodami NDT. Proto jsou v příspěvku zahrnuty pouze metody testování radiálních vývrtů a roztlačování čelistí ve vrtu. Obě vybrané metody vyžadují, aby byla do materiálů vyvrtána relativně malá díra (průměru 10–12 mm). Metoda radiálních vývrtů byla vyvinuta ve spolupráci s B. Kasalem, prezentováno např. v (Kasal a kol., 2003). Metoda spočívá v zatěžování vývrtu malého průměru 4,8 mm v tlaku podél vláken. Metoda roztlačování čelistí ve vrtu byla nedávno představena autory a vyžaduje speciální zařízení, které je schopno tlačit dřevo přímo v malé díře (Drdácký a Kloiber, 2013). Obě tyto nestandardní metody zatěžují dřevo stejně jako standardní metody. Odhady materiálových vlastností získaných z dřeva pomocí nestandardních zkoušek lze použít k definici třídy konstrukčního dřevo za použití stejného přístupu a metodiky jako v případě standardního zkoušení dřeva v laboratoři. Může nastat otázka ohledně obsahu vlhkosti a jeho vlivu na vlastnosti dřeva. Charakteristiky materiálu, které jsou stanoveny in-situ, obsahují všechny nedostatky a podmínky prostředí a poskytují inženýrovi údaje, které jsou nejblíže skutečnosti.

Tlaková pevnost radiálních vývrtů

Principem metody je odběr malých vzorků válcovitého tvaru (obr. 1), na kterých je ve speciálním zatěžovacím zařízení (obr. 2) zjišťována mez pevnosti a modul pružnosti v tlaku podél vláken (Kasal a kol., 2003). Otvor v prvku má průměr 10 mm při obvyklém průměru radiálního vývrtu 4,8 mm. Délka vývrtů by měla být minimálně 20 mm kvůli zabezpečení hodnověrnosti výsledků a eliminaci variability výsledků v důsledku střídání jarního a letního dřeva. Radiální vývrty jsou odebírány elektrickou vrtačkou se speciálním vrtákem, který byl vyvinut v Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR. Vrtá se konstantní rychlostí a většinou po krocích, aby nedošlo k poškození vzorků. Hrot vrtáku musí být udržován stále ostrý a čistý. Tupé anebo špinavé hroty mohou způsobovat chybnou interpretaci, protože vzorky vypadají jako poškozené anebo shnilé. Vzorek je přenášen do laboratoře ve schránce, která brání jeho poškození a změně vlhkosti. Schránka by měla být označena číslem, místem a datem odběru a dalšími důležitými informacemi (Drdácký a kol., 2005). Vývrty by se měly odebírat z nepoškozených míst prvku a zároveň v čistě radiálním směru, protože orientace letokruhů je velmi důležitým parametrem pro správné provedení zatěžovací zkoušky, která je popsána níže. Vrtačka je při odběru upevněna ve speciálním přípravku, který zamezuje vybočení vrtáku v průběhu vrtání a zároveň zajišťuje konstantní rychlost posuvu směrem do materiálu. Přípravek se k prvku pevně kotví třemi vruty (obr. 1).

Obr. 1 Odběr válcovitého tvaru vzorku

Obr. 2 Detail zatěžovacího zařízení

Radiální vývrty mohou být použity pro určení dalších vlastností dřeva, jako jsou např.: hustota, vlhkost, modul pružnosti a mez pevnosti v tlaku podél vláken a také pro identifikaci druhu dřeva, dendrochronologické datování, mikroskopickou analýzu hniloby, vizuální hodnocení a zároveň i penetraci ochranných látek. Pro vlastní zkoušení radiálních vývrtů se používají čelisti s vyfrézovanými drážkami (obr. 2), které umožňují zatěžovaní tlakem kolmo na osu vývrtu, tedy ve směru vláken dřeva při správné orientaci vývrtu. Dva lineárně proměnné snímače posunutí (LVDT) jsou použity na měření vzdálenosti mezi čelistmi a tedy k měření deformace vývrtu. Náležité umístění vývrtu ve zkušebním zařízení je rozhodující pro správné určení meze pevnosti a modulu pružnosti. Dřevo má největší pevnost podél vláken a nevycentrované vývrty v čelistech způsobují větší variabilitu měření (Lear, 2005). V průběhu zkoušení je tlaková síla a deformace vývrtu zaznamenávána do pracovního diagramu, viz obr. 3. Mez pevnosti v tlaku se vypočítá podle rovnice:

kde je

f_c: mez pevnosti v tlaku [MPa],
F_max: zatížení [N], zatížení F_max je odčítáno z diagramu, viz obr. 3 (smluvní bod),
l: délka radiálního vývrtu [mm],
d_c: průměr radiálního vývrtu [mm].

Korelace mezi pevností radiálních vývrtů a pevností dřeva standardních těles hodnocených podle EN 408 se pohybují v intervalu R² = 0,7–0,9 podle druhu dřeva. Variabilita měření je srovnatelná pro obě metody (Kasal, 2003; Kloiber a Kotlínová, 2006). Jedním z problémů při stanovení regresního vztahu mezi vlastnostmi radiálních vývrtů a normovaných těles je destruktivnost obou metod. Není proto možné použít obě metody na zcela totožných tělíscích. Výsledky měření pevností radiálních vývrtů naměřených v laboratoři můžou být s výhodou podpořeny silnou korelací s počtem letokruhů, obr. 4.

Obr. 3 Příklad pracovního diagramu pro tlakovou zkoušku radiálního vývrtu

Obr. 4 Korelace počtu letokruhů a modulu pružnosti měřené na klíčových testech (Kloiber a kol. 2015, CaBM)

Při určování modulů pružnosti je potřeba v průběhu zkoušky radiální vývrt částečně odtížit a následně měřit pouze pružnou odezvu vývrtu na změnu vnějšího zatížení, jinak dochází k výrazné nepřesnosti (Micka a kol. 2006), neboť celkové přetvoření vzorku je ovlivněno plastickou deformací na kontaktech s čelistmi. Metoda je lokální, zjištěné informace lze vztáhnout pouze k nejbližšímu okolí odběru. Z důvodu variability dřeva nemusí poskytovat spolehlivý přehled o celkovém stavu zabudovaného prvku. Tento nedostatek snižuje a dosažení vyššího stupně spolehlivosti zajišťuje zvýšení počtu odebraných vzorků z jednoho prvku. Tím ale narůstá časová náročnost i náklady terénního měření a v neposlední řadě i poškození zkoušené konstrukce. Radiální vývrty jsou vhodné rovněž pro určování hustoty. To je důležité zvláště u památkově cenných dřevěných prvků, kde záleží na každém kousku odebrané hmoty. Variabilita získaných hodnot je srovnatelná s normovými zkouškami.

Vývrty musí být řezány speciálním dutým vrtákem v radiálním směru, tedy ve směru kolmém k letokruhům, aby bylo možné provést zkoušku mechanických vlastností rovnoběžně s vlákny. Pro odběr je třeba plocha cca 70 × 70 mm, aby bylo možno upevnit držák vrtačky. Po dosažení požadované hloubky vývrtu (obvykle 40 mm) se po vyjmutí vrtáku na jádro nasune tenkostěnná vylamovací trubka a vývrt vylomí. Vývrt je pak vytlačen z vylamovací trubky. Polámané nebo jinak poškozené vývrty jsou vyřazeny. Pro zkoušku je třeba přesně orientovat vývrt do zkušebních čelistí. Zkoušky se doporučuje provádět při standardní vlhkosti 12 %. Důležitou součástí vyhodnocení zkoušky a stanovení mechanických vlastností musí být přesné měření rozměrů vzorků. Doporučuje se místa odběru zazátkovat z důvodu prevence proti vnikání vlhkosti, napadení hmyzem, snížení pravděpodobnosti vzniku hniloby nebo v případě cennějších konstrukcí i z estetických důvodů (Kasal, 2003).

Tlaková pevnost vyvrtaného otvoru

Metoda je založena na zatěžování dřeva miniaturním lisem vloženým do vyvrtaného otvoru průměru 12 mm. Při aplikaci je měřena závislost síly na deformaci při roztlačování symetricky uspořádaných tlačných čelistí (kamenů) ve vyvrtaném radiálním otvoru o průměru 12 mm (Drdácký a Kloiber, 2013). Šetrně destruktivní zhotovení otvoru do testovaného materiálu samo o sobě umožňuje také další posouzení stavu, např. posouzení kvality dřeva na základě vývrtu, pilin, videoskopie apod. Přístroj (obr. 5) vyvinutý v Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR lze použít jak v laboratoři, tak přímo v terénu pro hodnocení stavu a kvality dřeva v konstrukcích.

Obr. 5 Celkový pohled na přístroj

Obr. 6 Detail táhla s rozevíracím klínem a zakulacenými čelistmi

Obr. 7 Příklad výstupu přístroje: záznam síly při roztlačování čelistí vztažené k měřené dráze roztlačení (posuvu) čelistí (Kloiber a kol. 2015, MaS)

Přístroj umožňuje plynulé snímání síly a posunutí při roztlačování čelistí v různých hloubkách zkoumaného prvku. Přístroj se na povrch zkoušeného objektu přikládá pomocí válcovitého pouzdra, které umožňuje měření ve čtyřech polohách (hloubkách měření) předem vyvrtaného otvoru. Aretace pouzdra je zajištěna pomocí dvou rýhovaných šroubů pro tyto hloubky vývrtu: 5–25 mm, 35–55 mm, 65–85 mm a 95–115 mm. Po zasunutí měřící části přístroje do vyvrtaného otvoru a přiložení na testovaný objekt jsou pomocí táhla s rozevíracím klínem roztlačovány zakulacené čelisti (obr. 6) do stěn vyvrtaného otvoru. Maximální hloubka zatlačení čelistí je na obou stranách 1,5 mm. Zakulacené čelisti mají šířku 5 mm a délku 20 mm. Součástí čelistí jsou pružná ramena, jejichž pohyb při roztlačení je zajištěn pomocí rozevíracího bronzového klínu osazeného na dolním konci táhla pomocí kolíku a šroubu. Vrcholový úhel klínu je 15°. Tento úhel není samosvorný a pro odlehčení čelistí stačí uvolnění roztlačovací síly. Průběžně je snímána a zaznamenána působící síla při vytahování táhla, která je kalibrovaná na skutečnou sílu při roztlačování čelistí a následně simultánně vztažena k měřené dráze roztlačení (posuvu) čelistí (obr. 7). Signály jsou z přístroje bezdrátově přenášeny do měřicího přenosného počítače, kde jsou zpracovány.

Korelace mezi pevností v tlaku podél vláken a pevností dřeva standardních těles hodnocených podle EN 408 se pohybují stejně jako u radiálních vývrtů v intervalu R² = 0,7–0,9 podle druhu dřeva. Variabilita měření je srovnatelná pro obě metody. Vztahy byly blíže popsány prakticky využitelnými lineárními regresními modely (Kloiber a kol. 2013) a (Kloiber a kol. 2015, MaS). Druhým parametrem pro hodnocení mechanických vlastností pomocí nového přístroje je modul přetvárnosti, který dobře koreluje s modulem pružnosti podél vláken, koeficient determinace se pohybuje okolo R² = 0,7.

Otvor pro zkoušku je připravován frézovacím vrtákem (obr. 8), který je upnutý do akumulátorové ruční vrtačky. Z důvodu možného bočního pohybu vrtáku v průběhu vrtání je vrtačka upevněna ve speciálním stojánku (obr. 9), který zajišťuje pevné ukotvení k prvku. Stojánek může být připevněn přímo na zabudovaný prvek nebo na podpůrné pevné lešení. Vyžaduje volnou plochu o rozměrech 150 × 150 mm. Vnější průměr vrtáku je 12 mm. Správné použití metody je stejně jako u metody radiálních vývrtů podmíněno vyvrtáním otvoru napříč vláken do dřeva pouze v radiálním směru, kde dochází k pravidelnému střídání jarní a letní zóny dřeva a orientace roztlačovaných čelistí podél vláken, u konstrukčních prvků zpravidla rovnoběžně s osou prvku. V tangenciálním směru dochází k ovlivnění měření větším zastoupením jarní nebo letní zóny dřeva, což vede ke zkreslování výsledků. Za účelem kvality vrtání se doporučuje řídit rychlost vrtání, zejména posun vrtáku do vrtaného otvoru. Ze stejného důvodu musí být ostří vrtáku udržováno stále ostré a čisté. Tupá nebo zanesená ostří mohou způsobovat vytrhání vláken ze stěn vrtu, čímž může následně dojít ke zkreslení výsledku měření. Příprava vrtu by měla probíhat v nepoškozených místech prvku bez přirozených vad a zjevného poškození. Vyšší počet nevhodně zvolených umístění vývrtů může ovlivňovat mechanickou odolnost hodnoceného prvku. Jako jiné in-situ metody používané při diagnostice zabudovaného dřeva vykazuje představená metoda měření pevnosti a modulu přetvárnosti dřeva významnou závislost na obsahu vody ve zkoumaném materiálu. Podstatnou součástí zkoušky je proto měření vlhkosti v místě zkoušky.

Hlavní charakteristikou terénní zkoušky in-situ je skutečnost, že měření probíhá na zatíženém prvku za přítomnosti neznámých vnitřních sil. Pomocí digitální korelace obrazu bylo prokázáno, že se po vyvrtání otvoru stav napětí uvolní do vzdálenosti přibližně 2 mm od jeho okraje. Pokud nebyl prvek trvale poškozen (vznik plastické deformace) není měření ovlivněno vnitřní napjatostí konstrukčního prvku. Výše uvedené tvrzení bylo potvrzeno i zkouškami na ohýbané dřevěné konzole (Maddox a kol. 2014).

Obr. 8 Detail frézovacího vrtáku při přípravě vrtu prům.12 mm

Obr. 9 Speciální stojánek pro upevnění vrtačky s vrtákem a ukotvení k prvku

Výsledky

Konstrukční dřevo obvykle vykazuje vysokou variabilitu vlastností, způsobenou vlivem různých proměnných (druh dřeva, hustota, přirozené vady, poškození, vlhkost, atd.).

Vzhledem k široké škále proměnných se mechanické vlastnosti konstrukčních prvků obtížně posuzují pomocí nepřímých metod, které byly analyzovány např. v (Dietsch a Köhler, 2010 nebo (Kasal a Tannert, 2010). Nepřímé metody (vizuální hodnocení nebo neinvazivní přístrojové metody) jsou limitované značnou subjektivitou pracovníka provádějící vizuální průzkum a vysokou variabilitou měřených dat.

Oproti tomu přímé metody měření požadovaných vlastností, (např. tlakové zkoušky výše popsané), umožňují přímé srovnání se skutečnými mechanickými vlastnostmi hodnoceného dřeva. Takové srovnání vykazuje výrazně vyšší spolehlivost než je tomu u odhadu mechanických vlastností z nepřímého hodnocení dřeva (Tannert a kol. 2014). Výsledky přímého hodnocení jsou určené z čistého dřeva bez vad a jsou tedy pouze jedním krokem v celém procesu hodnocení vlastností materiálu. Následovat by měla kontrola chování konstrukce, deformací, popř. ověření teoretického modelu pomocí testu při zatížení konstrukce. Jen tak lze odhadnout přiléhavost kombinovaného postupu určení bezpečnosti, který využívá experimentem získaných materiálových charakteristik a aplikuje je na reálnou konstrukci, která přirozeně obsahuje vady a imperfekce obtížně postižitelné výpočtem.

Závěr

Radiální vývrty lze použít především pro přímé stanovení fyzikálních (specifická hustota), morfologických (hustota letokruhů) a mechanických vlastností (mez pevnosti v tlaku podél vláken a modul pružnosti) s poměrně velkou přesností u neporušeného dřeva bez defektu. Na vývrtech je možné dále provádět mikroskopická, dendrochronologická a vizuální hodnocení a měření penetrace ochranných látek. Mezi nevýhody metody patří její invazivní charakter, zejména v případě několikanásobného odběru vývrtu z jednoho prvku a také nutnost odběru vzorku in-situ, který lze až následně zkoušet v laboratoři. Zkoušky se doporučuje provádět při standardní vlhkosti 12 %. Důležitou součástí vyhodnocení zkoušky a stanovení mechanických vlastností musí být přesné měření rozměrů vzorků.

Měření mechanických vlastností při roztlačování čelistí ve vrtu (pevnosti a modulu přetvárnosti v tlaku podél vláken) umožňuje na rozdíl od metody radiálních vývrtů hodnocení dřeva přímo v terénu, což může výrazně zkrátit čas samotné zkoušky. Měření je přesné pouze tehdy, když je vrt orientován kolmo k vláknům, kde dochází k pravidelnému střídání jarní a letní části letokruhu a když jsou čelisti roztlačovány podél vláken, u konstrukčních prvků zpravidla rovnoběžně s osou prvku. Tento požadavek je stejný jako u metody radiálních vývrtů. V tangenciálním směru dochází k ovlivnění měření větším zastoupením jarní nebo letní zóny dřeva, což vede ke zkreslování výsledků. Výsledky měření, jsou závislé na kvalitě výroby vrtaného otvoru, což znamená, že je potřeba neustále kontrolovat ostří vrtáku a v případě otupení vrták neprodleně vyměnit. Vyšší počet nevhodně zvolených umístění vývrtů může ovlivňovat mechanickou odolnost hodnoceného prvku. Metoda měření pevnosti a modulu přetvárnosti dřeva roztlačování čelistí ve vrtu vykazuje významnou závislost na obsahu vody ve zkoumaném materiálu. Podstatnou součástí zkoušky je proto měření vlhkosti v místě zkoušky.

Poděkování

Výsledek byl získán v rámci projektu LO1219 za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Reference

CEN / TC 346: Technical standardization committee – Conservation of cultural heritage.
Dietsch, P., Köhler, J.: Assessment of timber structures. 2010, Shaker Verlag, Aacher, 134 pp.
Drdácký, M., Jirovský, I., Slížková, Z.: On Structural Health and Technological Survey of hsitorical Timber Structures. Proceedings of the International Conference The Conservation of Historic Wooden Structures, Florence, Vol. I, 2005. pp. 278–284.
Drdácký, M., Kloiber, M.: In-situ compression stress-deformation measurements along the timber depth profile. In: Advanced Materials Research 778: Trans Tech Publications, 2013, Switzerland, pp. 209–216.
EN 408: Timber structures – Structural timber and glued laminated timber – Determination of some physical and mechanical properties, 2010.
EN 16085: Conservation of Cultural property – Methodology for sampling from materials of cultural property – General rules, 2012.
EN 16096: Conservation of cultural property – Condition survey and report of built cultural heritage, 2012.
Kasal, B., Drdácký, M. Jirovsky, I.: Semi-destructive methods for evaluation of timber structures. Structural Studies, Repairs and Maintenance of Heritage Architecture VIII. C.A. Brebia, Editor. Advances in Architecture. WIT Press. Southampton, 2003, pp. 835–842.
Kasal, B., Tannert, T.: In situ assessment of structural timber. 2010, Springer, 124 pp.
Kasal, B.: Semi-Destructive Method for In-situ Evaluation of Compressive Strength of Wood Structural Members. Forest Products Journal, 53 (11/12), 2003, pp. 55–58.
Kloiber, M., Drdácký, M., Tippner, J., Hrivnák, J.: Conventional compressive strength parallel to the grain and mechanical resistance of wood against pin penetration and microdrilling established by in-situ semidestructive devices. In: Materials and Structures: 2015, Netherlands. ISSN: 1359-5997, 15 pp. (DOI: 10.1617/s11527-014-0392-6)
Kloiber, M., Drdácký, M., Machado, J. S., Piazza, M. Yamaguchi, N.: Prediction of mechanical properties by means of semi-destructive methods: A review. In: Construction and Building Materials, 2015. ISSN: 0950-0618, pp. 1215–1234.
Kloiber, M., Drdácký, M., Tippner, J., Sebera, V.: New construction NDT device for in situ evaluation of wood by using compression stress-deformation measurements parallel to grain. In: 18^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium, 2013, September 24–27, Madison, Wisconsin, USA. FPL-GTR-226: pp. 585–592.
Kloiber, M., Kotlínová, M.: Prediction of mechanical properties by means of radial cores in situ. In: In-situ evaluation & non-destructive testing of historic wood and masonry structures, RILEM Workshop, 10–14 July 2006, Prague, Czech Republic. ISBN: 978-80-86246-36-9, pp. 56–65.
Lear, G. Ch.: Improving the Assessment of In Situ Timber Members with the Use of Nondestructive and Semi-Destructive Testing Techniques. M.S. thesis – North Carolina State University, Raleigh, 2005, 137 pp.
Maddox, J., Drdácký, M., Kloiber, M, Kunecký, J.: In-situ assessment of strength of historic wood. In: 9^th International Conference on Structural Analysis Historical Constructions, Mexico City, 10/2014, Mexico. ISBN: 04-2014-102011495500-102, 13 pp.
Micka, M., Minster, J., Václavík, P.: Compression test of a timber core – Ansys model and Moiré interferometry experiment. In: Engineering mechanics 2006, 15.–18. 5. 2006, Svratka, Czech Republic, pp. 219/1–219/12.
Tannert, T, Anthony, R., Kasal, B., Kloiber, M., Piazza, M., Riggio, M., Rinn, F., Widmann, R., Yamaguchi, N.: Recommendation of RILEM TC 215-AST: In-situ assessment of structural timber using semi-destructive techniques. In: Materials and Structures: 2014, Netherlands. ISSN: 1359-5997.

English Synopsis

Safety assessment of historic timber structures using testing of very small specimens

The paper discusses approaches to safety assessment of historic timber structures using testing of very small specimens extracted from a historic structure or by direct in-situ testing. The presented methods must to take into account conditions given by the EN 16085. They further consider environmental influences and correlations of characteristics achieved by various SDTs.