Nedestruktivní metody při vyšetřování dřeva historických konstrukcí
Příspěvek popisuje vyšetřování dřevěných prvků z historické konstrukce zastřešení odjezdové haly Masarykova nádraží v Praze. Součástí je i experiment, který se zabýval vlivem mechanického poškození dřevěných prvků na interpretaci výsledků nedestruktivních měření.
Během stavebně technických průzkumů se k určení materiálových charakteristik kromě jiných metod používají i nedestruktivní metody. Jejich výhodou je, že měření nezanechává téměř žádné stopy na konstrukci. Při diagnostice historických dřevěných konstrukcí se k měření materiálových vlastností dřeva často využívá přístrojů pracujících s ultrazvukovými vlnami. Měření rychlosti jejich průchodu je jednou z jednoduše aplikovatelných metod. Nepřímým výstupem těchto měření je dynamický modul pružnosti Edyn – materiálová vlastnost, která definuje kvalitu dřeva.
Tento příspěvek popisuje vyšetřování dřevěných prvků z historické konstrukce zastřešení odjezdové haly Masarykova nádraží v Praze. Toto nádraží je nejstarším železničním nádražím na území hlavního města Prahy a dokonce nejstarším koncovým nádražím v Evropě, které je dosud v provozu. Výstavba nádraží pod vedením inženýra Jana Pernera trvala devět měsíců v letech 1844–1845. V průběhu své existence objekt prošel několika složitými situacemi a nejhorší poškození si odnesl z bojů na konci druhé světové války, kdy v roce 1945 bylo částečně zdemolováno zastřešení odjezdové haly, jehož následky bylo možné na stavu konstrukce vysledovat i před dále zmiňovanou rekonstrukcí.
Příspěvek popisuje také experiment, který se zabýval vlivem mechanického poškození dřevěných prvků na interpretaci výsledků nedestruktivních měření.
1. Úvod
Rekonstrukce historických staveb ze dřeva jsou v posledních letech spojeny s nutností zjišťovat materiálové vlastnosti použitého dřeva. V rámci prvotní diagnostiky jsou populární nedestruktivní metody, protože historicky cenný materiál nepoškozují a poskytují v daném okamžiku dostatečně přesné údaje o jeho kvalitě. Dokáží navíc odhalit skryté vady, trhliny a místa biotického poškození. Přestože v současné době nejsou zapracovány do normativních předpisů, jsou odborné veřejnosti známy a při diagnostice konstrukcí využívány.
Výhodou všech přístrojů, které se používají pro nedestruktivní vyšetřování dřeva je jejich nízká hmotnost, jednoduchý transport, snadná obsluha, rychlost a jednoduchost měření.
2. Příklad použití přístroje Sylvatest při nedestruktivním vyšetřování dřeva
Jedním z přístrojů, který se v současnosti používá pro nedestruktivní vyšetřování dřeva je Sylvatest. Přístroj vyhodnocuje kvalitu dřeva na základě měření rychlosti průchodu ultrazvukové vlny. Skládá se ze záznamové vyhodnocovací jednotky, dvou sond s piezoelektrickým jádrem (speciálně navržených pro dřevo) a sondy na měření vlhkosti dřeva, viz obr. 1. Zdrojem ultrazvukové vlny je kmitající zdroj ve vysílací sondě. Kontakt mezi sondami a dřevem nezajišťuje žádné přenosové viskózní médium, ale kónický tvar sond, který dovoluje jejich instalaci přímo do dřeva, viz obr. 2. Vlna se šíří prvkem přímo od vysílající sondy k přijímající a při tzv. nepřímém měření, kdy jsou sondy umístěny na stejném povrchu prvku, je povrchová. Přístroj zaznamená čas t potřebný pro přenos ultrazvukové vlny a na základě uvážení hustoty ρ a vlhkosti w dřeva určí přímo mechanické vlastnosti dřeva (modul pružnosti a pevnost v ohybu). Toto však platí pouze v případě, že dřevo je velmi dobré kvality. Jestliže tomu tak není výstupem měření je pouze rychlost průchodu ultrazvukové vlny měřeným prvkem.
Obr. 1 Měření prvků z Masarykova nádraží přístrojem Sylvatest
Obr. 2 Detail instalace kónické sondy přístroje Sylvatest do dřeva
Ukázka měření ultrazvukovým přístrojem Sylvatest a jeho vyhodnocení (viz tab. 1) se týká vlašských krokví z Masarykova nádraží, jejichž rozměry byly přibližně 100 mm × 230 mm × 4000 mm. Sondy přístroje byly instalovány ve vzdálenosti 3000 mm a svíraly s povrchem dřevěných prvků úhel cca 45°.
Při měření byla jedna z koncových podpor použita jako váha. Díky tomu byla zaznamenaná hmotnost poloviny celkové hmotnosti konstrukčního prvku m a spolu se znalostí geometrických rozměrů mohla být přímo na místě vyhodnocena hustota dřeva ρ, která se dále používá k výpočtu dynamického modulu pružnosti Edyn.
| Prvek | Rozměry | SYLVATEST | Edyn [GPa] | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| b [mm] | h [mm] | l [mm] | L [m] | T [°C] | w [%] | t [μs] | 0,5‧m [kg] | ρ [kg/m3] | v [km/s] | ||
| VK-1-3-P | 98,3 | 232,0 | 3820 | 3,00 | 26,0 | 13,4 | 533 | 16,540 | 379,6 | 5,63 | 12,0 |
| VK-4-6 | 147,3 | 240,0 | 3820 | 3,00 | 27,0 | 14,1 | 531 | 19,620 | 290,5 | 5,65 | 9,3 |
| VK-9-6 | 100,0 | 229,7 | 3820 | 3.00 | 27,0 | 18,0 | 542 | 17,880 | 407,6 | 5,54 | 12,5 |
| VK-12-6 | 103,7 | 233,3 | 3820 | 3,00 | 30,0 | 17,0 | 562 | 16,630 | 360,0 | 5,34 | 10,3 |
| VK-15-5 | 103,0 | 235,3 | 4310 | 4,00 | 27,0 | 13,5 | 713 | 16,800 | 321,7 | 5,61 | 10,1 |
| VK-19-6 | 97,7 | 233,3 | 3820 | 3,00 | 28,0 | 18,l0 | 548 | 16,270 | 373,8 | 5,47 | 11,2 |
Výsledky měření ukázaly, že některé dřevěné prvky již nesplňují požadavky spolehlivosti, předepsané současnými normami, a nemohou být proto v konstrukci znovu použity bez dodatečného a nákladného zesílení. Proto byly vybrány pouze ty nejkvalitnější, které byly v konstrukci opětovně použity, a část konstrukce byla nahrazena novými prvky z lepeného lamelového dřeva. Některé prvky, které byly vyřazeny, byly podrobeny dalšímu vyšetřování v laboratořích, viz následující.
3. Vliv trhlin na šíření ultrazvuku
V historických konstrukcích se objevují různá poškození dřeva způsobená dřevokazným hmyzem, hnilobou a také mechanickým přetížením. Všechny lokální poruchy materiálu ovlivňují jeho kvalitu a jejich výskyt se projeví ve výsledcích zkoušek. Řada nedestruktivních přístrojů pracuje na principu šíření akustické či tlakové vlny, která se šíří materiálem a způsobuje v něm elastickou deformaci. Pozorovat, jak se promítá vliv mechanického poškození konstrukčních prvků do výsledků měření, bylo cílem experimentu, který proběhl v laboratořích Fakulty stavební ČVUT v Praze. Použity byly vyřazené trámy z historické konstrukce zastřešení haly Masarykova nádraží v Praze.
Zvuk je mechanické podélné vlnění, tzn. částice přenášející energii kmitají ve směru šíření vlny. Ultrazvuk je definován jako zvuk nad hranicí slyšitelnosti zdravého lidského ucha, která se uvádí v rozmezí 16–20 kHz. Rychlost šíření zvuku obecně souvisí s hustotou prostředí a frekvence vlnění, která se používá při diagnostice stavebních konstrukcí, se odvíjí od rozměrů zkoumaných prvků. Platí, že pro prvky větších rozměrů je vhodné použít ultrazvuk o nižších frekvencích, vlnová délka je pak v řádech centimetrů a vlnění je i na delší vzdálenosti méně tlumeno než v případě laboratorních měření na malých vzorcích, kdy se používá ultrazvuk o frekvencích nad 1 MHz.
Rychlost přenosu ultrazvukové vlny v [x10−3 km.s−1] se počítá jednoduše podle (1) jako podíl vzdálenosti mezi sondami L [m] a času t [s], který během měření zaznamenáváme:
Předpokládá se, že vlna je díky instalaci sond povrchová a šíří se nejkratší cestou mezi nimi. Faktem ale je, že přenosová vzdálenost se prodlužuje, pakliže vlnění musí v dřevěném prvku obcházet defekty. Vlna tak potřebuje na překonání vzdálenosti mezi sondami, v důsledku defektů, delší čas a výsledkem je nižší rychlost. Podstatné přitom je, že z rychlosti přenosu ultrazvukové vlny v [m/s] a hustoty dřeva [kg.m−3] počítáme dynamický modul pružnosti Edyn [x10−3 GPa]:
Dynamický modul pružnosti Edyn bývá o 10–15 % větší než modul pružnosti Estat zjištěný při standardních statických zkouškách.
Obr. 3 Schéma měření vlivu trhlin na přenos ultrazvukové vlny
Obr. 4 Měření vlivu trhliny na přenos ultrazvukové vlny
Na ověření teorie a názornou demonstraci, že trhlina má vliv na rychlost šíření ultrazvuku, byl uskutečněn následující experiment, viz schéma na obr. 3. Trámy ze zmíněné historické konstrukce byly nejdříve proměřeny na obou nepoškozených površích A a B a tyto hodnoty se staly srovnávacími. Poté se do prvku začala uměle vytvářet trhlina, jejíž hloubka se zvětšovala po 20 mm. Experiment je znázorněn na obr. 4. Pro určení vlivu vzdálenosti sond se navíc měření provádělo ve dvou konfiguracích I a II. Důvod pro zaznamenávání hodnot na povrchu B byl praktický. U některých konstrukcí není možné se dostat ke spodnímu povrchu trámu a sledováním povrchu B se mělo ověřit, zda se poškození projeví i při měření na protilehlém povrchu prvku.
Obr. 5 Porovnání průchodu ultrazvukové vlny na površích A a B
Obr. 6 Závislost rychlosti průchodu ultrazvukové vlny materiálem na hloubce trhliny v konstrukčním prvku
U všech zkoušených trámů byl zaznamenán trend, který je zřejmý i z přiložené tab. 2. Pro stejnou vzdálenost sond má na začátku měření, kdy jsou oba povrchy bez trhliny, čas t průchodu ultrazvukové vlny velmi podobnou hodnotu (čas A a čas B). S narůstající hloubkou trhliny se čas na povrchu, na kterém trhlina vzniká (A), prodlužuje. Naopak na protilehlém povrchu (B) se jeho hodnota nemění, grafické porovnání je na obr. 5.
| hloubka trhliny | t [s] A | t [s] B | v [km.s−1] | Edyn [GPa] |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 106 | 103 | 5,660 | 11,214 |
| 20 | 108 | 103 | 5,556 | 10,802 |
| 40 | 123 | 103 | 4,878 | 8,328 |
| 60 | 143 | 104 | 4,196 | 6,162 |
| 80 | 178 | 104 | 3,371 | 3,977 |
| 100 | 195 | 103 | 3,077 | 3,314 |
| 120 | 294 | 103 | 2,041 | 1,458 |
| 140 | 314 | 103 | 1,911 | 1,278 |
| 160 | 342 | 103 | 1,754 | 1,077 |
| 180 | 380 | 101 | 1,579 | 0,873 |
Potvrzuje to předpoklad povrchového šíření za situace, že se provádí tzv. nepřímé měření. S rostoucí hloubkou trhliny znatelně klesá rychlost průchodu ultrazvukové vlny v s tím, jak se prodlužuje dráha, kterou musí vlna konstrukčním prvkem urazit.
Ještě výrazněji klesá dynamický modul pružnosti Edyn. Srovnáním většího množství měření, která byla k dispozici, je možné udělat pozorování týkající se vlivu vzdálenosti sond. Z grafu na obr. 6 lze usuzovat na to, že čím dále od sebe sondy jsou, tím je vliv růstu trhliny menší. Nejstrmější nárůst času, který odpovídá prodloužené dráze vlny, je možné zaznamenat v případech, kdy jsou k sobě sondy nejblíže, protože poměr původní dráhy k dráze nové bude mnohem menší než v případě vzdálených sond, kdy se bude blížit jedné.
4. Závěr
V příspěvku byly prezentovány možnosti použití nedestruktivních metod při vyšetřování dřeva historických konstrukcí a podrobněji byl představen přístroj Sylvatest, pracující na principu přenosu ultrazvukové vlny. Výsledky experimentálních měření potvrdily předpoklad, že při nedestruktivním měření, kdy se instalují sondy na stejný povrch (obr. 1), dokáže mechanické poškození prvků způsobit znatelné snížení rychlosti šíření vln, které se následně projeví i v hodnotě dynamického modulu pružnosti. Poškození prvků se nejvíce projeví, jsou-li sondy blízko u sebe. Díky tomu lze degradovaná místa na historické konstrukci poměrně dobře lokalizovat.
Využití nedestruktivních metod při stavebně technickém průzkumu historických konstrukcí má proto své opodstatněné místo.
Bohužel v případě Masarykova nádraží výsledky nedestruktivních měření ukázaly, že některé dřevěné prvky by mohly být znovu použity jen v případě dodatečného, velmi komplikovaného a nákladného zesílení. Proto byly v konstrukci použity pouze prvky splňující požadavky na jejich požadovanou únosnost a část konstrukce byla nahrazena novými prvky z lepeného lamelového dřeva. Určité vysvětlení této situace je možno vidět i v tom, že v případě této konstrukce naši předkové patrně nevěnovali výběru použitého dřeva takovou pozornost, jako v případě řady jiných historických konstrukcí. Ukazuje na to i to, že u konstrukčně stejných prvků nebylo použito druhově stejné dřevo, ale současně smrk i jedle.
Nicméně soubor dat, který byl měřeními získán, je velmi hodnotný, protože se týká dřeva, které bylo dlouhodobě zabudováno v konstrukci.
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory grantu NAKI – DF12P01OVV037, jehož poskytovatelem je Ministerstvo kultury České republiky.
Literatura
- [1] Sandoz, J. L. (1989): Grading of construction timber by ultrasound. Wood Science and Technology 1989, 23, pp. 95–108
- [2] Kuklík, P., Dolejš, J.: Nondestructive Evaluation of Structural Timber. Proc. 5th World Conference on Timber Engineering, Montreux 1998, 1, pp. 692–699
- [3] Kuklík, P., Kuklíková, A.: Nondestructive Testing of Solid Timber. Proc. International Conference on Wood and Wood Fiber Composites, Stuttgart 2000, pp. 303–312
- [4] Feneey, F.E. – Chivers, R.C. – Evertsen, J.A. – Keating, J.: The influence of inhomogeneity on the propagation of ultrasound in wood, In: Ultrasonics, 1998, Vol. 36. Is. 1. p. 449–453, ISBN 0041-624X
- [5] Kasal, B. – Tannert, T. In Situ Assessment of Structural Timber. State of the Art Report of the RILEM, RILEM, 2010, ISBN 978-94-007-0559-3
- [6] Kloiber, M. – Kotlínová, M.: Porovnání dynamického a statického modulu pružnosti poškozeného dřeva, In: Applied Mechanics 2006, 8th International Scientific Conference.
This paper describes an investigation of historical timber members of roof structure at Masaryk railway station in Prague. In the paper is also presented an experiment, which deals with the influence of mechanical damage to timber members in the interpretation of the results of non-destructive measurement.