Reklama

Metody pro nedestruktivní hodnocení dřeva a jejich přesnost

Ing. Jan Pošta, Ph.D., Ing. Robert Jára, Ing. Hana Hasníková, doc. Dr. Ing. Jakub Dolejš, Ing. Anna Kuklíková, Ph.D., doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.

Recenzovaný

Tento článek se zabývá nedestruktivními metodami hodnocení dřevěných prvků in-situ. V praxi se vedle nejčastěji používaného vizuálního hodnocení používají akustické a penetrační metody. V posledních letech se objevují nové postupy založené např. na termografii nebo rentgenovém záření. Pro vyhodnocení přesnosti nedestruktivních metod se výsledné hodnoty porovnávají s hodnotami z průkazných destruktivních zkoušek.

Reklama

1. Úvod

Dřevo se jako konstrukční materiál používá odedávna. Dřevěné konstrukční prvky jsou nedílnou součástí téměř všech historických budov, zvláště jako stropní či střešní konstrukce. Jejich stav často ovlivňuje životnost celého objektu, proto je důležité ho průběžně monitorovat a včas podchytit jakékoli negativní změny. Vzhledem k historické hodnotě řady staveb jsou pro zkoumání jejich aktuálního stavu vyžadovány metody, které do stávající konstrukce příliš nezasahují. Dosud se používá především vizuální hodnocení, jímž lze rychle a efektivně definovat například vnější biotické napadení nebo mechanické poškození prvku. Ke zjištění vnitřního stavu konstrukce nebo kvantifikaci fyzikálních a mechanických vlastností jsou potřeba složitější metody. K nejběžněji používaným patří především akustické a penetrační metody.

Pomocí penetračních přístrojů se zjišťuje povrchové, popřípadě podpovrchové biologické napadení nebo růstové vady. Penetrační přístroje pracují na principu určení odporu materiálu daného hloubkou vniknutí ocelového hrotu do dřeva či odporu při vrtání. Proto jsou často také označovány jako mechanicko-odporové. Akustické přístroje využívají princip měření rychlosti šíření akustické vlny. Pokud je známá objemová hmotnost, lze snadno dopočítat dynamický modul pružnosti, který obecně velmi dobře koreluje s pevností dřeva. Objemová hmotnost se zpravidla určuje gravimetricky, někdy ji lze odvodit také na základě výsledků penetračních metod. Hlavní nevýhodou gravimetrie je, že jí nelze použít u zabudovaných prvků. Nevýhodou penetračních metod je jejich nepřesnost, lokální a semidestruktivní charakter, což může být například u historicky cenných konstrukcí nežádoucí.

2. Vizuální hodnocení

Nejjednodušším a nejstarším způsobem hodnocení stávajících (např. historických) dřevěných konstrukcí je vizuální průzkum. Tímto postupem je možné zjistit druh dřeva, vady dřeva (suky, trhliny) či biotické poškození prvku (hniloba, škůdci). Hlavními výhodami jsou relativně vysoká rychlost a nízká cena metody. Vizuální hodnocení je ve většině praktických případů dostačující, na druhou stranu se zjištěné informace týkají především obecné kvality dřeva, méně vypovídají o skutečných mechanických a fyzikálních vlastnostech. Další nevýhodou je, že záleží na subjektivním pohledu inspektora a především jeho zkušenostech. Často se vizuální prohlídka provádí s jednoduchými nástroji jako je kladivo či vrut do dřeva. Kladivem se poklepává na dřevěnou konstrukci, dutý zvuk signalizuje vnitřní vadu dřeva. Vrutem lze seškrábat poškozenou vrstvu dřevěného prvku, aby se zjistila hloubka degradace [1]. Vizuálně lze kvantifikovat také některé jednoduché parametry (tloušťka letokruhů, velikost suků, odklon vláken). Kloiber a Kotlínová se zabývali vztahem mezi statickým modulem pružnosti a parametry z vizuálního hodnocení, výsledek ukazoval nulovou závislost [2], Dolejš zjistil malou závislost [3]. Na základě vizuálního hodnocení tedy nelze vždy spolehlivě odvodit mechanické vlastnosti prvku, ale tento postup zpravidla poskytuje cenné vstupní informace pro následné zkoumání nedestruktivními metodami.

3. Akustické metody

Počátek používání akustické metody se datuje několik stovek let zpět. Při výběru dřeva pro stožár lodi byly přikládány k jednomu konci kmenu hodinky, a pokud byl na druhém konci slyšet jejich tikot, kmen byl vybrán [4]. Vysoká rychlost průchodu akustické vlny předpovídá vysokou pevnost dřeva. První uplatnění akustických vlastností dřeva při hodnocení kvality se datuje k počátku šedesátých let 20. století. První akustický test byl proveden na dřevotřískové desce v USA a Kanadě (přístroj Stress wave timer Model 239A). V sedmdesátých letech se při hodnocení dřevěných konstrukcí začíná používat technika rázové vlny. V devadesátých letech se tato metoda začíná používat také na detekci vnitřního poškození živého stromu. Výhodou akustické metody při hodnocení dřeva je její rychlost, cena, jednoduchost provedení i jasné teoretické zázemí. Principem metody je stanovení dynamického modulu pružnosti na základě změření rychlosti šíření zvukové (nejčastěji ultrazvukové) vlny ve dřevu. Pro přímé pruty z homogenního materiálu vychází dynamický modul pružnosti z rovnice

E_dyn = ρ.v² (1)

kde je

ρ: objemová hmotnost [kg/m³],
v: rychlost podélné tlakové vlny [m/s].

Dynamický modul pružnosti určený pomocí objemové hmotnosti a rychlosti průchodu vlny bývá vyšší než statický modul pružnosti. Závislost mezi statickým a dynamickým modulem pružnosti popsala řada autorů. Ross shrnuje výsledky několika výzkumů od roku 1954 do roku 1982 (Galligan a Courteau, Koch a Woodson, Potr, Pellerin či McAlister). Výsledné korelace mezi modulem pružnosti získaným na základě měření rychlostí rázové vlny a statickým modulem pružnosti získaným pomocí průkazných zkoušek dosahují hodnot 0,87–0,99 [5]. Výsledky nedávno zveřejněných prací [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12] a [13], ve kterých se autoři zabývají vztahem mezi dynamickým a statickým modulem pružnosti, potvrzují, že statický modul pružnosti bývá nižší než dynamický modul pružnosti a to zpravidla o cca 20 %. Hodnota koeficientu korelace R se pohybuje od 0,72 do 0,99.

V literatuře [6], [11], [14], [15] a [16] lze nalézt závislosti mezi rychlostí akustického signálu a fyzikálními či mechanickými vlastnostmi dřeva. Např. koeficient korelace pro závislost mezi rychlostí akustického signálu a ohybovou pevností se pohybuje v intervalu od 0,54 do 0,85, koeficient korelace s modulem pružnosti dosahuje hodnot od 0,66 do 0,82. Rychlost průchodu vlny se využívá i při určení vnitřního poškození dřeva, nižší rychlost signalizuje hnilobu či jiné vnitřní poškození [3], [17] a [18].

4. Penetrační metody

Nejširší uplatnění nacházejí tyto metody při hodnocení stavu (poškození) dřeva. Z pohledu mechanických a fyzikálních vlastností měřené veličiny (síla potřebná k penetraci či vytržení, hloubka penetrace) nejvíce korelují s objemovou hmotností materiálu.

Jedním z nejpoužívanějších penetračních přístrojů je Pilodyn J6. Přístroj vystřeluje do dřeva ocelový trn s průměrem 2,5 mm při konstantní zarážecí energii 6 Joulů a měří hloubku jeho vniku do dřeva (rozsah je 0 až 40 mm). Umožňuje objektivní posouzení rozsahu napadení dřeva dřevokaznými houbami, hmyzem nebo hnilobou a s tím související lokální snížení jeho pevnosti v povrchových vrstvách dřevěných prvků. Zvláště účinný je při lokalizaci poškozené části prvku, zejména ve zhlaví stropních trámů. Nevýhodu přístroje je, že umožňuje pouze povrchové zkoumání, na druhou stranu jde o velmi rychlý a relativně přesný způsob odhadu hustoty. Iňiguez-Gonzales a kol. našli součinitel korelace mezi hloubkou penetrace a hustotou 0,65 na vzorcích borovice a kaštanu [15], Arriaga a kol. 0,54–0,78 pro vzorky borovice [16] a Kloiber 0,55 pro vzorky smrku [6]. Korelace mezi hloubkou penetrace a mechanickými vlastnostmi dosahují obecně nízkých hodnot.

Z penetračních metod vykazuje nejlepší výsledky přístroj Pin pushing. Pracuje na jednoduchém principu kontinuálního zaznamenávání síly potřebné k zaražení trnu a hloubky vniku trnu. Při určování hustoty dosahují koeficienty korelace se zarážecí silou velmi vysoký hodnot od 0,84 do 0,91 pro smrkové, jedlové a borovicové vzorky. Za zmínku stojí i koeficienty korelace pro pevnost v tlaku (0,70–0,88), [19].

Na principu měření odporu vrtáku při vrtání do dřeva konstantní rychlostí vrtákem o průměru 1,5–3,0 mm pracuje přístroj Resistograph. Poškození zkoumaných prvků je vzhledem k průměru vrtáku malé. Výhodou oproti zarážení trnu je hloubková analýza prvku. Tato metoda se používá podobně jako výše uvedené postupy hlavně při zjišťování aktuálního stavu konstrukce. Negativně mohou přesnost měření ovlivnit vlhkost, ostrost vrtáku či odchylka od směru vrtání [1]. Při provádění odporového vrtání je nezbytné dodržet radiální směr, aby nedocházelo ke zkreslení výsledků vlivem střídání jarního a letního dřeva v letokruhu. Výsledkem měření je hustotní profil (dendrogram), vyšší hodnota odporu odpovídá vyšší hustotě dřevní hmoty. Na záznamu je dobře patrné střídání jarního a letního dřeva v letokruhu a hlavně nulový odpor při vrtání v místě dutiny, netypický průběh částí křivky označuje místa s výskytem defektů. Pro porovnání grafického výstupu s fyzikálními a mechanickými vlastnostmi se používá několik parametrů (délka křivky, plocha pod křivkou, podíl plochy pod křivkou a hloubky vrtání, apod.). Nejvyšší koeficient korelace s těmito parametry má hustota (0,84–0,87), [20]. Obecně lze říci, že závislosti mezi parametry dendogramu a mechanickými vlastnostmi dosahují středních hodnot korelace (R = 0,63–0,80).

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Univerzitního centra energeticky efektivních budov, projektu č. LD14062 – Metody pro nedestruktivní vyšetřování vlastností konstrukčního dřeva a projektu SGS15/137/OHK1/2T/11.

Literatura

BARTŮŇKOVÁ, Eliška. Non-destructive Tests and Degradation Assessment of Old Chestnut Timber. Portugalsko, 2011. Diplomová práce. University of Minho.
KOTLÍNOVÁ, Mária a Michal KLOIBER. Vizuálne hodnotenie zisťovanie vlastností historického dreva. In: Drevoznehodnocujúce huby. Brno, 2007, s. 100–110. ISBN 978-80-7375-105-0.
DOLEJŠ, Jakub. Využití nedestruktivních metod k vyšetřování mechanických vlastností dřeva. Praha, 1997. Disertační práce. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební.
DIVOS, F., P. DIVOS A G. DIVOS. Acoustic Techniques: From Seedling to Wood Structures. In: Proceedings of the 15^th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 3–12. ISBN 978-1-892529-52-7.
ROSS, J. Robert a Roy F. PELLERIN. Nondestructive testing for assessing wood members in structures – A review. Madison: United States Department of Agriculture, Forest service, Forest product laboratory, 1991.
KLOIBER, Michal. Nedestruktivní zjišťování vlastností dřeva. Brno, 2007. Disertační práce. Mendlova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta.
ROSS, J. Robert. Transverse Vibration Techniques – Logs to Structural Systems. In: Proceedings of the 15^th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 13–16. ISBN 978-1-892529-52-7.
CAVALLI, Alberto a Marco TOGNI. Combining NDT and visual strength grading to assess ancient timber beams stiffness to evaluate strengthening interventions suitability. In: Proceedings of the 17^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Sopron, 2011, sv. 2, s. 593–601. ISBN 978-963-9883-83-3.
PAZLAR, T., J. SRPČIČ, M. PLOS a G. TURK. Non-destructive tests for strength grading os Slovenian structural sawn timber. In: Proceedings of the 17^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Sopron, 2011, sv. 1, s. 231–238. ISBN 978-963-9883-82-6.
ROHANOVÁ, A., R. LAGAŇA a M. BABIAK. Comparison of non-destructive methods of quality estimation of the construction spruce wood grown in Slovakia. In: Proceedings of the 17^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Sopron, 2011, sv. 1, s. 239–246. ISBN 978-963-9883-82-6.
WIDMANN, Robert. Grading of thermally modified beech. In: Proceedings of the 17^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Sopron, 2011, sv. 1, s. 293–298. ISBN 978-963-9883-82-6.
IŇIGUEZ-GONZALEZ, G., M. ESTEBAN, F. ARRIAGA, I. BOBADILLA a M. GIL. Influence of Specimen Length on Ultrasound Wave Velocity. In: Proceedings of the 15^th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 155–159. ISBN 978-1-892529-52-7.
BUCAR, D. G., B. ŠEGA, M. MERHAR, M. CEPON a B. BUCAR. Strength Grading of Structural Timber Using the Transverse Frequency Response Method. In: Proceedings of the 15^th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 79–88. ISBN 978-1-892529-52-7.
HRIVNÁK, J., M. KLOIBER, L. REINPRECHT a J. TIPPNER. Skúmanie kvality a poškodenia ihličnatého dreva akustickými a mechanicko-odporovými metodami. Zvolen (Slovensko), 2013. ISBN 978-80-228-2552-8.
IŇIGUEZ-GONZALEZ, G., D. F. LLANA, M. J. MONTERO, E. HERMOSO, M. ESTEBAN, J. L. GARCÍA de CECA, I. BOBADILLA, R. MATEO a F. ARRIAGA. Preliminary results of a structural timber grading procedure in Spain based on nondestructive techniques. In: Proceedings 18^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood symposium. Madison: United States Department of Agriculture, Forest service, Forest product laboratory, 2013, s. 386–395.
ARRIGA, F., M. ESTEBAN, G. IŇIGUEZ-GONZALEZ, I. BOBADILLA, D. F. LLANA a M. GONZALEZ-SANZ. Structural Assessment of the Timber Structure of the Casa Grande Building in the Real Cortijo de San Isidro, Arajuez, Madrid (Spain). In: Proceedings 18^th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood symposium. Madison: United States Department of Agriculture, Forest service, Forest product laboratory, 2013, s. 233–244.
WACKER, J. P., X. WANG, R. J. ROSS a B. K. BRASHAW. Condition Assessment of Historic Wood Vessels. In: Proceedings of the 15^th International Symposium on Nondestructive trstiny of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 223–226. ISBN 978-1-892529-52-7.
HASNÍKOVÁ, Hana a Petr KUKLÍK. Various Non-destructive Methods for Investigation of Timber Members from a Historical Structure. Wood Research. 2014, roč. 59, č. 3, s. 411–420. ISSN 1336-4561.
KLOIBER, M., J. TIPPNER a J. HRIVNÁK. Mechanical properties of wood examined by semi-destructive devices. Materials and Structures. 2014, roč. 47, č. 1, s. 199–212. ISSN 1359-5997.
DRDÁCKÝ, M., M. KLOIBER a M. KOTLÍNOVÁ. Low invasive diagnostics of historic timber. In: In-situ evaluation and non-destructive testing of historic wood and mansory structures. Česká republika, 2006, s. 24–40, ISBN 978-80-86246-36-9.

English Synopsis

This article deals with assessment of timber elements by non-destructive methods in situ. In practice are most frequently used penetration and acoustic methods besides the visual evaluation. In recent years, there are new methods based for example on thermography or X-ray radiation. The resulting values are compared with the values from destructive tests for evaluating the accuracy of non-destructive methods.