Novinky ve výzkumu dřevěných konstrukcí a dřeva

Ústav se dlouhodobě zabývá výzkumem s převažujícím zaměřením na základní výzkum v oboru stavebních konstrukcí, na pokročilou analýzu jejich vlastností. V současné době převažuje zájem o dřevo, a to dokonce i v oblasti základního výzkumu. Mohli byste popsat čeho se týká?

Náš nynější výzkum se týká obsáhlé podmnožiny dřevařského inženýrství, kterou je oblast únosnosti dřevěných nosníků se zářezem pod obecným zatížením. Má za cíl testovat a kvantifikovat schopnost predikce iniciace šíření trhliny z místa se zářezem v nosníku z konstrukčního dřeva, a to v libovolném místě nosníku zatíženého kombinovaným namáháním pomocí počítačových metod a lomové mechaniky (LEFM). Zároveň je dobré zdůraznit, že zde rozumíme jako zářezu nejen klasickému zářezu u podpory, ale i jakémukoliv tesařskému spoji či jiným nespojitostem ve dřevě. Za účelem odhadu únosnosti v daném bodě vyvíjíme numerický model, který je schopen zjistit energetickou bilanci při uvolňování spojitosti modelu v daném bodě – uzlu. Tato hodnota pak může být porovnána s hodnotou získanou pro daný komplexní lomový mód pomocí materiálových zkoušek lomových vlastností malého měřítka na referenčním a běžném konstrukční dřevě v Evropě, tedy smrku ztepilém. Tento druh má z pohledu lomové mechaniky poměrně špatné vlastnosti v rámci našich druhů a je tak na straně bezpečné. Pro srovnání spolehlivosti předpovědi na základě materiálových vlastností měřených na malých vzorcích bylo provedeno celkem kolem sta experimentů na nosnících velkých rozměrů (0.2×0.25×6 m) se zářezem, které zodpoví základní otázky: Je možno použít rychlost uvolňování deformační energie v daném módu lomu pro predikci téhož na velkých nosnících o rozměrech vyskytujících se v praxi? Jak velký je vliv změny orientace letokruhů na lomové charakteristiky dřeva? Jaké jsou podmínky validity metody v jednotlivých módech zatížení?

V případě spojů, které jste zmínil, problém bývá nejčastěji s chováním spojovacích prostředků, s jejich únosností a tuhostí, s volbou vhodného materiálu. V předchozích letech jste se věnovali i mechanickému chování dubových spojovacích prostředků. K jakým otázkám a závěrům jste došli v tomto případě?

Myslím, že jsme otestovali dostatečně široký soubor vzorků dubového kolíku a konkretizovali jeho působení v okolním dřevě (systém kolík-otvor) v různých směrech namáhání. Vznikl tak dostatečně široký soubor dat, který může sloužit jako podklad pro normativní zařazení dřevěného kolíku, byť validita je do jisté míry omezena, z pohledu experimentálního, oblastí, ze které byly dubové fošny pro kolíky získány. Dílčím cílem číslo 1 byla únosnost a tuhost dubového kolíku pro návrh dle mezních stavů. Dílčím cílem číslo 2 byla pevnost spojovaného okolního materiálu při namáhání pod různým úhlem (ortotropní chování dřeva). Dílčím cílem číslo 3 pak popis dlouhodobého chování dřevěného kolíku pod zatížením v různých okolních podmínkách (dotvarování, creepové vlhkostní změny materiálu). Lze říci, že dřevěný kolík je přes svou konstrukční jednoduchost velice komplikovaně popsatelný, zejména pokud se jedná o vliv vlhkosti a kombinaci s cyklováním teplot (creep). Dřevo jako organický materiál se chová značně nelineárně vlivem dlouhodobého zatížení a změn prostředí. Tyto vlastnosti zatím nebyly zkoumány komplexně, především vliv dotvarování na návrhovou únosnost či chování působící síly na kolíku pod různými úhly k vláknům. I taková problematika může být zajímavá, ať už jde o panely spojené na bázi mechanických spojovacích prostředků či u vyztužování prvků kolmo k vláknům u výškových staveb ze dřeva.

Jiří Kunecký

Michal Kloiber

Nicméně centrem vašeho zájmu jsou spíše historické stavby a jejich diagnostika. Vznikla zde celá řada publikací a dokonce i výstava, která popisuje příběh tesařského řemesla. O co konkrétně se jednalo?

Máte zřejmě na mysli, výstavu nazvanou „Pod ochranou svatého Josefa, aneb Příběh tesařského řemesla v českých zemích“. V českém prostředí je totiž obecně zakořeněno povědomí, že sv. Josef byl povoláním tesař. Proto se také stal patronem tesařů a s atributy tohoto řemesla bývá často zobrazován. Výstava se snaží zprostředkovat příběh tesařského řemesla z vybraných hledisek. Stručně je zde pojednáno o vzdělání tesařů a jejich cechovní organizaci. Následují ukázky tesařského nářadí od jednotlivých druhů seker k hoblíkům a pilám, nescházejí zde ani potřebné měřické pomůcky: krokvice, úhelník, kružidlo apod., a rovněž rudníky a kolovrátky pro vytvoření linky na kmeni, podle níž jej pak tesaři otesali. Mezi významná a dodnes obdivovaná tesařská díla patří krovové konstrukce. Na výstavě jsou k vidění modely příčných vazeb našeho nejstaršího krovu z roku 1319 nad presbytářem kostela františkánského kláštera v Chebu a největšího pozdně gotického krovu z roku 1536 nad trojlodím kostela sv. Jakuba Většího v Jihlavě. Také je zde k vidění model části krovu z roku 1484 nad presbytářem kostela sv. Ducha v Hradci Králové. Práci tesařů se snaží přiblížit dioráma tesařské ohrady uvedené doprovodným textem na protějším panelu, kde jsou shrnuty také základní informace o dřevu jako stavebním materiálu. Použití různých druhů dřev na stavbách zde prezentuje exponát „xylofonu“. Patrně poprvé jsou právě na této výstavě každému zájemci o tradiční tesařské řemeslo názorně představeny stopy opracování vybranými druhy seker (tzv. trasologie). Právě stopy zanechané tradičními řemeslnými postupy určují charakter a jedinečnost historických konstrukcí. Ty se však dnes, při opravách památek moderními postupy, často vytrácejí.

Jistě existuje metodika tradičního opracování stavebního dřeva pro konstrukční opravy historických staveb. Mohl byste nám nějakou doporučit?

Existuje celá řada publikací, které se věnují metodickému popisu tradičního (ručního) opracování dřeva pro konstrukční opatření při opravách historických staveb. V naší metodice jsou prezentovány výsledky experimentálních testů při těžbě dřeva v různých ročních obdobích (zima, jaro, léto); při opracování různými způsoby (řezání, štípání, tesání a kombinace tesání s plavením), při ověření eliminace růstových napětí při výběru dřeva a opracování (výběr dřeva bez přirozených vad a úmyslné zásahy při opracování). Výsledkem je metodika, která respektuje standardy z oblasti ochrany kulturního dědictví, zejména pak požadavek na minimalizaci zásahu do původní hmotné substance a zachování původní technologie opracování nově vkládaných prvků včetně výběru materiálu. Vlastní metodika popisuje předpoklady použití a nutné okrajové podmínky, výběr materiálu, manipulaci a skladování kulatiny, technologii opracování (tesání, štípání a řezání), skladování opracovaných prvků až po samotnou konstrukční sanaci, kde je na konkrétních příkladech konstrukčních prvků předvedena minimalistická varianta zásahu do původní materie za použití tradičně (ručně) opracovaného dřeva.

Mohli bychom některé druhy diagnostiky přesněji popsat včetně jejich výhod a nevýhod? Endoskopii určitě každý zná spíše z lékařského prostředí…

Ano, jistá podobnost tam je. Jedná se o metodu umožňující přesně definovat rozsah poškození u nepřístupných částí konstrukcí, například zazděné části stropních nebo vazných trámů a především zcela zazděné pozednice. Zazděné části dřevěných konstrukcí staveb můžeme posoudit ostatními defektoskopickými přístroji až po kompletním rozebrání okolního zdiva, což je z důvodů historické hodnoty památkově chráněných objektů nepřípustné. Vizuální hodnocení za použití endoskopu se ukazuje především jako velmi vhodný nástroj pro zjišťování aktuálního stavu nepřístupných dřevěných prvků, u kterých není možné použít jiné běžně uplatňované diagnostické metody. Mezi nevýhody metody patří její částečně invazivní charakter související s přípravou vrtů pro hodnocení prvku pomocí endoskopu.

Klimatická komora především pro měření vlhkosti

Jak jsme již výše zmínili, důležitá je pro dřevostavby z hlediska bezpečnosti a statiky zvláště pevnost v tahu a ohybu. Jak se posuzuje bezpečnost dřevěné konstrukce?

Hodnocení ohybové pevnosti je velmi důležitý aspekt pro posuzování zabudovaných dřevěných prvků, protože zatížení ohybem je například u stropních konstrukcí převládajícím způsobem namáhání. V zabudovaných prvcích se ohybová pevnost obtížně posuzuje bez narušení konstrukce. Hodnota meze pevnosti v ohybu je však blízká mezi pevnosti v tahu a podle některých autorů je možné tyto meze považovat za shodné. Z tohoto důvodu byla vyvinuta metoda zjišťování pevností zabudovaného dřeva na malých vzorcích, odebraných z povrchu dřevěných prvků. Vzorky pro určení tahové pevnosti se odebírají jednoduchým způsobem pomocí přestavitelné okružní pilky. Odběr se provádí dvěma řezy skloněnými pod úhlem 45° vzhledem k povrchu prvku rovnoběžně s vlákny dřeva. Hloubka řezu je upravená tak, aby vznikla pravoúhlá trojúhelníková lišta se stěnami v rozmezí 5–8 mm. Pila se pohybuje po vodicím rámu, který je vruty připevněn k povrchu zkoušeného prvku. Poškození povrchu se opraví vlepením trojúhelníkové lišty stejného rozměru a případně u historických objektů se restaurátorsky zacelí. Při přípravě zkušebního vzorku je plocha průřezu lišty ve středové části zeslabena na cca 8–12 mm², což odpovídá tahovému vzorku podle. Odebrané vzorky nesmí obsahovat žádné vady (suky, trhliny nebo jiná poškození). Na oba konce vzorků se nalepí dřevěné bloky, které v průběhu tahové zkoušky slouží pro uchycení malého vzorku v souosých kloubových čelistech zkušebního stroje. Tahový vzorek se vkládá do jednoduchých čelistí navržených pro tento účel a zatěžuje v běžném zkušebním stroji. Zkouška je sice nestandardní, ale svým pojetím se standardní zkoušce podle velmi blíží, neboť používá stejně jednoduché uspořádání eliminující parazitní ohyb a průřez s malým počtem letokruhů. Při zkoušce je měřena tahová síla a přetvoření pro výpočet modulu pružnosti. Maximální tahová síla pro každý vzorek je zatížením při porušení a mez pevnosti v tahu podél vláken. Výsledky dosažené touto zkouškou mohou být prohlášeny za srovnatelné se standardním testem. Mechanické charakteristiky určené výše popsanou zkouškou musí být pro posuzování bezpečnosti konstrukce a dimenzování převedeny na technické vlastnosti řeziva. Tyto vlastnosti řeziva berou v úvahu redukci lokálně zjištěné meze pevnosti na čistém dřevě v důsledku defektů, které se běžně vyskytují na velkých prvcích (suky, praskliny a další vady dřeva).

Lze tedy říci, že převažují částečně invazivní metody? Mohli bychom některé z nich zmínit, a to včetně přístrojů k tomu určených?

Předně to jsou radiální vývrty. Principem je odběr malých vzorků válcovitého tvaru, na kterých je ve speciálním zatěžovacím zařízení zjišťována mez pevnosti a modul pružnosti v tlaku podél vláken. Otvory po odběru vývrtu jsou menší než většina suků, které se nacházejí v prvku, takže výrazně nesnižují pevnost prvku a obvykle splňují požadavky památkové péče na šetrnou intervenci. 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 ÚTAM AV ČR. Někdy se pro usnadnění vrtání aplikuje mýdlo nebo vosk. Vrtá se konstantní rychlostí a většinou po krocích, aby nedošlo k poškození vzorků. 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. 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. Třecí síly, které mohou být v průběhu vrtání velmi vysoké, zhoršují podmínky odběru vzorků, proto se používá vrták speciálního tvaru, který poškození eliminuje. 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. Radiální vývrty mohou být použity pro určení několika vlastností dřeva, jako jsou např.: hustota, vlhkost, modul pružnosti a mez pevnosti v tlaku podél vláken. Lze je využít i 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, 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.

Takzvaný zatlačovák pro určování vlastnosti materiálu

K nejčastějším zadáním patří odhad hustoty a pevnosti dřeva k identifikaci vnitřních vad materiálu. Jak v tomto případě minimalizovat zásah do hmotné substance?

Metodu měření mechanického odporu dřeva proti vnikání trnu lze použít pro odhad parametrů hustoty a pevnosti dřeva, a to až do hloubky 110 mm. Ve srovnání s běžně používaným mělce zaráženým trnem (např. Pilodyn), poskytuje tato metoda informace o větším průřezu zkoumaného prvku a umožňuje identifikovat vnitřní vady skryté hluboko pod povrchem dřeva. Pomalý průběh zatlačování trnu umožňuje kvantifikaci poškození v jakékoliv hloubce možnosti přístroje. Velikost zaznamenaného odporu je ovlivněna druhem dřeva, jakostí, hustotou dřeva a rovněž obsahem vlhkosti. Tyto parametry je třeba zvážit, má-li být provedena správná interpretace výsledků. Případné vady dřeva, jako jsou suky, praskliny, cizí předměty apod., značně zkreslují výsledky. Existuje i měření pevnosti a modulu přetvárnosti dřeva v tlaku podél vláken ve vyvrtaném otvoru pomocí roztlačování čelistí malého vloženého lisu. V současnosti dostupné, částečně invazivní přístroje (mikrovrtání, zarážení nebo zatlačování trnu, vytahování vrutu) neumožnují přímo v terénu bez odběru vzorků určovat mechanické vlastnosti dřeva, jako je pevnost a modul pružnosti v tlaku podél vláken. Naše úsilí proto směřovalo vedle ověření přesnosti měření zejména k navržení jednoduché metody, prakticky využitelné a aplikovatelné v běžné praxi, při stavebně-technických průzkumech dřevěných konstrukcí. Výsledkem je FV přístroje, který respektuje standardy z oblasti ochrany kulturního dědictví, zejména pak požadavek na minimalizaci zásahu do původní hmotné substance, při vysoké přesnosti stanovení požadovaných mechanických vlastností dřeva.

Děkuji za rozhovor

Foto: ÚTAM AV ČR, Jiří Kunecký a Michal Kloiber