Metody pro zjišťování spolehlivosti historických dřevěných konstrukcí
Příspěvek se zabývá metodami pro zjišťování spolehlivosti historických dřevěných konstrukcí a snaží se naznačit i dosažený posun v používaných metodách, problémy či mezery v poznatcích a potřeby výzkumu, související s touto činností.
Historické konstrukce se postupně dostávají do popředí zájmu společnosti, neboť jsou nedílnou součástí jejího kulturního dědictví. Posuzování historických dřevěných konstrukcí je obvykle velmi komplikované a pro ty, kteří posouzení provádějí, možným důvodem pro jejich výměnu, přestože by tyto konstrukce v řadě případů mohly být zachovány.
To ale vyžaduje pochopení působení původního konstrukčního systému, odhad pevnostních a tuhostních vlastností použitého dřeva, zhodnocení stavu dřevěných prvků včetně jejich účinných průřezových charakteristik a zhodnocení jejich jednotlivých spojů. Vzhledem k přirozené variabilitě vlastností dřeva, neznámé historii zatížení a prostředí, kterému byla konstrukce vystavena a obvyklému biologickému poškození, jsou přijímané předpoklady často zatíženy velkou mírou nejistoty.
Tento příspěvek se zabývá metodami pro zjišťování spolehlivosti historických dřevěných konstrukcí a snaží se naznačit i dosažený posun v používaných metodách, problémy či mezery v poznatcích a potřeby výzkumu, související s touto činností.
1. Úvod
Opravy a zesilování starých staveb obecně již představují a v budoucnosti budou ještě více představovat velký podíl činnosti stavebních firem, jelikož potřeby nové výstavby se postupně snižují. Je to důsledkem populační stabilizace ve většině rozvinutých zemí, ekonomických výhod, historických nebo environmentálních požadavků, které postupně prosazují jejich údržbu, na rozdíl od nahrazování novými stavbami.
Inženýrská a architektonická výuka na vysokých školách však doposud byla zaměřena především na nové stavby a z tohoto důvodu již méně na staré materiály a stavební techniky. To se ale nyní postupně mění, a to zejména na úrovni postgraduálního studia nebo volitelných předmětů.
V současnosti tesaři, v duchu minulém, kdy šlo o přenos zkušeností z otce na syna, již prakticky neexistují. Příčinu je možno vidět i v tom, že ve druhé polovině 20. stol. bylo tesařské řemeslo degradováno na přípravu bednění pro betonové konstrukce.
Tato situace se negativně promítla i do přístupu ke starým dřevěným konstrukcím, protože pro řešení problematiky jejich prvků a spojů jsou nezbytné specifické odborné znalosti. Chování dřevěných konstrukcí z hlediska mechaniky je totiž silně ovlivněno nejen použitými druhy dřevin, ale též i použitými konstrukčními systémy.
V případě hodnocení spolehlivosti dřevěných konstrukcí na základě jejich dřívější uspokojivé způsobilosti se podle ČSN ISO 13822 řídíme následujícími postupy. Dřevěné konstrukce, i když nebyly navrženy a provedeny podle technických norem, ale byly navrženy a provedeny na základě osvědčených stavebních zkušeností, lze považovat za spolehlivé pro všechna zatížení kromě mimořádných (včetně seizmických) za předpokladu, že
- pečlivá prohlídka neodhalí žádné známky významného poškození, přetížení nebo degradace;
- se posoudí konstrukční systém včetně kritických detailů;
- konstrukce vykazuje uspokojivé chování v průběhu dostatečně dlouhého časového období, ve kterém došlo v důsledku užívání a účinků prostředí k výskytu nepříznivých zatížení;
- odhad degradace, při kterém se uváží současný stav a plánovaná údržba, zajišťuje dostatečnou trvanlivost;
- po dostatečně dlouhé časové období nenastanou změny, které by mohly významně zvýšit zatížení konstrukce nebo ovlivnit její trvanlivost, a žádné takové změny nejsou očekávány.
2. Analýza konstrukčních systémů
Statické působení konstrukčních systémů historických staveb je často složité, ale ve většině případů ho lze analyzovat na základě principů stavební mechaniky.
Historické dřevěné konstrukce nejsou vždy též konstrukčně čitelné, dokonce i bez ohledu na možnou degradaci dřeva. Některé vykazují obrovskou míru improvizace, některé mají základní koncepční či konstrukční chyby, některé byly špatně provedeny a jiné byly změněny bez ohledu na respektování jejich spolehlivosti.
Běžné problémy dřevěných střešních konstrukcí jsou jejich chybná geometrie, excentrické zatížení v podpěrách příhradových vazníků, vaznice umístěné mimo styčníky příhradových vazníků, nedostatečné zavětrování a prostorové ztužení vazníků a chybějící prvky v důsledku předcházejících zásahů do konstrukcí. V případě stropů se jedná především o nedostatečné uložení konců nosníků v podpěrách, nedostatečné ztužení mezi nosníky, odstranění podpěrných zdí a vnesení dodatečných zatížení do nosníků uprostřed jejich rozpětí od různých dělicích příček.
Spoje jsou obecně nejcitlivějším místem všech dřevěných konstrukcí. U historických konstrukcí mohou být přitom ještě různě poškozeny (korozí kovů, výsušnými trhlinami, otlačením). Vyskytují se také vady v podobě chybějících podložek či spojovacích prostředků, malých vzdáleností spojovacích prostředků od okrajů a konců. Často jsou příliš malé podložky u svorníků, mezery mezi prvky, které by na sebe měly dosedat. Při průzkumu by měla být pozornost věnována též poruchám spojů v důsledku jejich přetížení či přerozdělení vnitřních sil v konstrukčním systému v důsledku neodborného zásahu do konstrukce. Řešením přitom může být, že v případě zjištěných závad se omezí zatížení konstrukce užitným zatížením či sněhem, abychom zachovali její historickou a architektonickou hodnotu.
3. Odhad vlastností dřeva
Odhad vlastností dřeva začíná identifikací druhu dřevin. Tento úkol je u historických konstrukcí vysoce specializovaný, protože pouze barva „zestárlého“ dřeva není často dobrým vodítkem. Známy jsou i případy, kdy v některých konstrukcích byly na typově stejné prvky použity různé druhy dřevin, např. smrk a jedle. Pouze výjimečně lze zatřídění dřeva provést, když jsou k dispozici informace (datum realizace konstrukce, specifikace dřeviny či informace o dřevinách, které se běžně používaly v určitém historickém období v místě realizace konstrukce).
V současné době existuje několik různých možností jak ohodnotit kvalitu dřeva historické konstrukce.
3.1 Vizuální hodnocení kvality dřeva
Dřevo lze tradičně ohodnotit vizuálním posouzením. Kvalita dřeva se přitom určuje prostřednictvím vizuálně poznatelných charakteristik dřeva. Na obr. 1 jsou uvedeny výsledky vlivu charakteristik dřeva na kvalitu jehličnatého řeziva, tříděného podle ČSN 73 2824-1, zjištěné na třech statistických souborech.
Obr. 1 Vliv charakteristik dřeva na odhad kvality jehličnatého řeziva
Pro vizuální třídění dřeva podle pevnosti platí ČSN 73 2824-1, která nahradila původní normu ČSN 49 1531-1. Významné vlivy určující pevnost, jako je například hustota dřeva, mohou být přitom vizuálně vystiženy pouze nedostatečně, například pomocí šířky letokruhů, viz obr. 1.
V Evropě existuje v současné době velký počet různých pravidel pro vizuální třídění řeziva podle pevnosti. Odlišují se jak počtem jakostních tříd a jejich hranicemi, tak i kritérii posuzování charakteristik dřeva. Zejména postupy pro vyjádření a výpočet sukovitosti (podílu suků) se podle národních norem v jednotlivých evropských zemích odlišují velmi výrazně (v současnosti přitom neexistuje jednotná evropská norma). Jsou pro to zejména tyto důvody.
Suky se mohou u řeziva projevovat podle jeho rozměrů a způsobu pořezu v rozmanitých tvarech, které lze vizuálně jen obtížně vyjádřit a klasifikovat. Příčinou redukce pevnosti v podstatě není samotný suk, ale jím způsobený výrazný odklon vláken v okolním dřevu. To je patrné i z toho, že porušení dřeva zpravidla nevychází ze samotného suku, ale z míst extrémního lokálního odklonu vláken. Protože struktura dřeva může být narušena zvlášť výrazně suky, které jsou blízko sebe, parametr sukovitosti se běžně stanovuje nejenom se zřetelem k největšímu suku, ale také na základě součtu suků, které se vyskytují v určité oblasti. Suky na okrajích a v tažené části dřevěného prvku se projevují nepříznivěji než suky uvnitř průřezu nebo v jeho tlačené části. Proto se při třídění často přihlíží i k poloze suku v průřezu.
Vizuální třídění podle pevnosti vykazuje souhrnně tyto výhody a nevýhody:
je jednoduché a snadno osvojitelné; nevyžaduje nákladné technické vybavení; je závislé na lidském činiteli; je málo účinné, protože není dostatečně uvážena struktura dřeva, např. hustota, která má značný vliv na mechanické vlastnosti dřeva.
3.2 Nové metody zjišťování kvality dřeva
V současné době se velká pozornost věnuje rozvoji nedestruktivních metod hodnocení kvality dřeva. K dispozici je již celá řada přístrojů, pomocí kterých jsme schopni měřit různé veličiny či parametry dřeva, viz tab. 1. Pro tyto přístroje je však charakteristické, že jimi měřené veličiny a parametry je třeba vždy porovnat s destruktivními zkouškami, abychom mohli sestavit příslušné rovnice, použitelné pro stanovení pevnostních a tuhostních parametrů dřeva.
Jak již bylo uvedeno, hustota je důležitou charakteristikou ovlivňující kvalitu dřeva. Má významný vliv na pevnost dřeva, zejména na pevnost v tlaku rovnoběžně s vlákny.
U dřeva zabudovaného v konstrukcích musí být k určení hustoty odebrány vzorky. Poněvadž nás velmi často zajímají vlastnosti dřeva v nejvíce namáhaných částech konstrukcí, je postup měření hustoty nedestruktivní metodou velmi vhodný.
Obr. 2 Přístroj PILODYN
| Metoda | Měřená veličina či parametr | Vlastnost odvozená |
|---|---|---|
| Ohyb | průhyb, modul pružnosti | pevnost |
| Kmitání | modul pružnosti | pevnost |
| Ultrazvuk | rychlost šíření akustického signálu | vady dřeva modul pružnosti E pevnost |
| Radiační | intenzita šíření záření | vady dřeva |
| Vytažení vrutu | síla | hustota |
| Zaražení trnu | hloubka průniku | modul pružnosti E pevnost |
Před několika lety vyvinula švýcarská firma Proceq SA přístroj PILODYN, který je obdobou Schmidtova kladívka pro měření betonu.
Tento přístroj (viz obr. 2) pracuje na principu vstřelení rázového kolíku do dřeva energií 6, 12 či 18 J (Nm). Přístroj je aktivován vmáčknutím rázového kolíku do těla přístroje pomocí duté tyčky zakončené speciální hlavou.
Rázový kolík může mít průměr od 2,0 do 3,0 mm. Průměr rázového kolíku se volí podle druhu vyšetřované dřeviny. Na stupnici přístroje je možno ihned odečíst hloubku vniku rázového kolíku do dřeva.
Pro zkoumání hustoty jehličnatého dřeva v závislosti na hloubce vniku rázového kolíku do dřeva je vhodný přístroj PILODYN 6J Forest s následujícími technickými parametry: rázová energie 6 J; maximální hloubka vniku rázového kolíku do dřeva 40 mm; průměr rázového kolíku 2,5 mm.
Manipulace s tímto přístrojem je velmi dobrá, neboť váží pouze 1,55 kg a jeho rozměry jsou: délka 335 mm a průměr 50 mm.
Pro zjišťování hustoty dřeva na základě měření vlhkosti a hloubky vniku rázového kolíku do dřeva (za předpokladu, že u dřevěného prvku provedeme čtyři měření na různých místech) lze použít tyto 5% regresní rovnice, jejichž odvození je popsáno v publikaci [5]:
kde je
- ρ12
- – hustota dřeva při vlhkosti 12 % [g/cm3];
- tp,12
- – hloubka vniku rázového kolíku do dřeva o vlhkosti 12 % [mm];
- tp
- – hloubka vniku rázového kolíku do dřeva o známé vlhkosti [mm];
- w
- – vlhkost dřeva v době měření [%].
U starých konstrukcí je dřevo poznamenáno stárnutím, které je především způsobeno degradací ligninu v povrchových buňkách dřeva. V případě aplikace penetrační metody na toto dřevo je proto vhodné v místě měření odstranit na povrchu dřeva vrstvu tloušťky přibližně 3 mm.
4. Průřezové charakteristiky a biologické poškození dřeva
Když je dřevo napadeno dřevokazným hmyzem, je obvykle poškozena pouze vrstva bělového dřeva. Hloubka napadené vrstvy může být posuzována pomocí vrtáku nebo pomocí některé z uvedených nedestruktivních metod, zejména pak pomocí PILODYNU.
Vliv poškození dřeva na průřezové charakteristiky dřevěných prvků můžeme jen odhadovat.
Poškození dřeva do větší hloubky průřezu se neobjevuje příliš často. Může k němu však dojít u jehličnatého dřeva s malým procentem jádrového dřeva. V tomto případě lze odhadovat dopad poškození dřeva na parametry průřezu prvků včetně jejich pevnosti a tuhosti jen s velkou mírou nejistoty.
Jestliže je dřevo napadeno dřevokaznými houbami, je charakter poškození jiný než v případě dřevokazného hmyzu. Nejde totiž jen o snížení objemu dřevní hmoty v průřezech prvků, ale v podstatě o chemickou modifikaci buněk dřeva. Ve většině případů je proto nejvhodnější poškozené dřevo odstranit a nahradit novým. Výměnu poškozené části prvků lze přitom provést s různou řemeslnou dovedností. Velmi zdařile byla provedena oprava zhlaví trámů například na hradě Karlštejn, viz obr. 3, kde byly velmi precizně provedeny tesařské spoje.
Obr. 3 Oprava zhlaví trámů na hradě Karlštejn
Obr. 4 Příklad opravy zhlaví trámu pomocí příložek
V případě, kdy jsou trámy zakryty podhledem, lze poškozená zhlaví trámů nahradit příložkami, viz obr. 4. Musíme však vzít v úvahu, že v místě nastavení trámu působí ohybový moment, jehož účinek musíme přenést dvojicí sil, působící v těžištích spojů. S ohledem na poddajnost těchto spojů je pak vhodné příložky provést oproti trámu menší výšky.
5. Závěr
Při řešení problematiky spolehlivosti historických dřevěných konstrukcí máme v současnosti k dispozici nejen nové nedestruktivní metody, které poskytují zcela nové možnosti ohodnocení vlastností dřeva, ale intenzivně se v současnosti pracuje i na zpracování výpočetních metod pro jejich posuzování, především pokud se jedná o tesařské spoje a zesilování konstrukčních prvků. Nedestruktivní metody zjišťování vlastností dřeva jsou v případě historických dřevěných konstrukcí velice aktuální, neboť umožní zesilovat tyto konstrukce pouze na úrovni nezbytně nutné, aby nebyl narušen jejich vzhled a historická hodnota. V tab. 2 je možné pro porovnání vidět postupně z leva pevnosti jehličnatého řeziva přiřazené na základě vizuálního třídění, penetrační zkoušky a průkazné destruktivní ohybové zkoušky.
| Třídy podle ČSN 73 2824-1 idt DIN 4074-1 (Třídy podle ČSN 491531-1) | Pevnost v ohybu podle ČSN EN 338 [MPa] | Hustota měřená penetrací [kg/m3] | Pevnost zjištěná výpočtem z hustoty měřené penetrací [MPa] | Pevnost zjištěná destruktivní zkouškou [MPa] |
|---|---|---|---|---|
| S 10 (SI) | 24 | 460 | 33,983 | 40,04 |
| S 10 (SI) | 24 | 492 | 44,040 | 50,90 |
| S 13 (S0) | 30 | 409 | 39,775 | 55,41 |
| S 13 (S0) | 30 | 537 | 61,395 | 77,22 |
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory grantu NAKI – DF12P01OVV004, jehož poskytovatelem je Ministerstvo kultury České republiky.
Literatura
- [1] ČSN ISO 13822 (730038) Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí
- [2] ČSN 73 2824-1 (732824) Třídění řeziva podle pevnosti – Část 1: Jehličnaté řezivo
- [3] ČSN 49 1531-1 (491531) Dřevo na stavební konstrukce – Část 1: Vizuální třídění podle pevnosti
- [4] ČSN EN 338 (731711) Konstrukční dřevo – Třídy pevnosti
- [5] Kuklíková, A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce. ČVUT v Praze, Česká republika, Doktorská práce, 2004.
This paper deals with methods for determining the reliability of historical wooden structures and tries to outline the progress and shift in the methods used, problems or gaps in knowledge and research needs associated with this activity.