Hodnotenie kvality konštrukčného bukového dreva
V príspevku sa popisuje prečo a za akých podmienok použiť bukové drevo v stavebných konštrukciách. Uvádzajú sa legislatívne a experimentálne požiadavky na overenie vlastností bukového triedením do tried pevností „D“. Hodnotenie kvality bukového dreva cez triedy pevnosti predikuje spoľahlivú úroveň navrhovania, technológiu výroby ako aj životnosť drevených stavebných prvkov.
Úvod
Drevo sa vyznačuje dobrými mechanickými aj fyzikálnymi vlastnosťami a pozitívne ovplyvňuje vnútornú mikroklímu prostredia. Je schopné prenášať veľké zaťaženie, tlmiť vibrácie a zároveň má dobré tepelnoizolačné vlastnosti. Ľahko sa opracúva reznými nástrojmi a pôsobí veľmi esteticky a prirodzene. Veľkou výhodou je možnosť spájania drevených elementov lepením pre vytvorenie konštrukčných prvkov s lepšími vlastnosťami. Z ekologického hľadiska je to dostupná a obnoviteľná surovina. Všetky tieto vlastnosti ho predurčujú na konštrukčné využitie aj v drevených stavebných konštrukciách. Za jeho negatívne vlastnosti sa považuje nerovnomerná štruktúra (anizotropia), chyby, zosychanie a napúčanie, šúverenie, praskanie a degradovateľnosť (KÚDELA – ČUNDERLÍK 2012, ROHANOVÁ, 2013). V súčasnosti má dominantné zastúpenie smrekové drevo. V krátkej dobe sa predpokladá, že zásoby kvalitnej smrekovej suroviny sú ohrozené a to najmä vplyvom klimatických podmienok. Hľadajú sa alternatívne dreviny, z ktorých do popredia sa dostáva bukové drevo.
V súčasnosti si každá krajina prehodnocuje zmeny v druhovej skladbe lesov, spôsobené antropogénnymi vplyvmi. Tieto zmeny sú výzvou pre drevospracujúci priemysel pripraviť sa na postupnú úpravu v objeme dodávok smrekovej a bukovej guľatiny, ale aj spracovaním bukovej guľatiny na polotovary a nové inovatívne výrobky. Vyžaduje si to v krátkom časovom horizonte vypracovať komplexnú analýzu spracovania bukového dreva, v ktorej by mal mať dominantné postavenie finálny výrobok. Použitie bukového dreva vo výrobkoch si vyžaduje individuálnu špecifikáciu technických, technologických i užívateľských požiadaviek. Najvýraznejšie môže byť ohrozené stavebníctvo.
Použiť bukové drevo v stavebných konštrukciách je oproti smrekovému drevu náročnejšie a zložitejšie. Nevýhody pri spracovaní bukovej suroviny (krivosť, vnútorné napätia, hniloba a i.) eliminujú jeho použitie najmä v nosných konštrukciách. Využitie je podmienené verifikáciou vlastností v súlade s legislatívou. Harmonizované EN umožňujú kompatibilitu navrhovania drevených konštrukcií vďaka prijatým triedam pevnosti. Ako jediná krajina, ktorá definuje pevnostné triedy bukového dreva pre stavebné konštrukcie, je Nemecko (D~LS).
Získané výsledky tvoria základ pre zaradenie každého druhu konštrukčného dreva a teda aj buka pre normatívne a návrhové použitie. Takýmto postupom sa v minulosti hodnotili všetky hospodársky využívané druhy dreva špecifikované podľa pôvodu krajiny. Normatívnym cieľom tohto výskumu je, aby si každá krajina do predpisu EN 1912 implementovala zdroj a druh dreva a k nim triedy pevnosti.
Bukové konštrukčné drevo je možné použiť v stavebných konštrukciách len na základe preukazných skúšok. Okrem klasických nosných (priamych, zakrivených) prvkoch sa skúmajú aj inovatívne aplikácie. Novú koncepciu využitia bukového dreva prezentuje napr. ROHNER 2013 cez „Bukový projekt“ – hybridné prierezy. Koncipuje bukový polygónny prvok dĺžky jedného metra. Nevyhnutnosťou pri navrhovaní sú softvéry, v ktorých sú aplikované poznatky o materiálových charakteristikách bukového dreva, ktoré sa získavajú z experimentálnych skúšok. Ďalšie možnosti využitia bukového dreva sú v prefabrikovaných paneloch z multi vrstvených lamiel, napr. v CLT (cross laminated timber) (AICHER a kol. 2016). Významnú oblasť tvorí termicky modifikované bukové drevo pre konštrukčné účely. WIDMANN 2011 popisuje testovanie bukových nosníkoch o dĺžke 2025 mm, na ktorých sa zisťovali ohybové a akustické charakteristiky.
Triedy pevnosti konštrukčného dreva
Predmetom triedenia podľa pevnosti je zabezpečiť, aby konštrukčné drevo zabudované v stavebnej konštrukcií bolo schopné preniesť navrhnuté zaťaženie. Na dosiahnutie tohto zámeru sa prijal systém tried pevností, pre ktoré sú definované charakteristické hodnoty (5% kvantil). Európsky systém tried pevností (EN 338) určuje požiadavky na tri základné vlastnosti: pevnosť v ohybe a hustotu dreva (charakteristické hodnoty) modul pružnosti v ohybe (priemerné hodnoty). Na ich určenie je potrebné najprv vykonať deštruktívne ohybové skúšky podľa EN 408 a vyhodnotiť ich podľa EN 384. EN 338 priraďuje ihličnatému drevu triedy pevnosti označované „C“ (coniferous) – C14 až C50. Pre listnaté drevo sú to triedy pevnosti „D“ (deciduous) – D16 až D80. Číslo pri označení triedy vyjadruje hodnotu charakteristickej pevnosti v ohybe (fm,k). V tabuľke 1 sú uvedené charakteristické hodnoty vybraných tried pevností pre ihličnaté a listnaté drevo.
Veľké množstvo tried pevnosti uvedených v EN 338 umožňuje jednotlivým krajinám taký výber tried pevností, ktoré najobjektívnejšie a najspoľahlivejšie popisujú ich charakteristické hodnoty dreva reprezentujúce svoju krajinu pôvodu. V jednotlivých krajinách sú tieto triedy pevnosti špecifikované a spresnené v pravidlách a metódach triedenia. V SR je to predpis STN 49 1531, ktorý uvádza triedy pevnosti S0, SI a SII stanovené vizuálnou metódou. Ich prepojenie na EN 338 v rámci priradenia ekvivalentných tried pevnosti je potrebné teoreticky a experimentálne overiť a zosúladiť s príslušnými metódami triedenia.
Uvádzané predpisy však nedefinujú, koľko a aké triedy pevnosti sú pre jednotlivú krajinu významné, ani akými metódami sa stanovujú hodnoty triediacich parametrov. Všeobecne sa v praxi využívajú základné tri až štyri triedy, príp. ich kombinácie.
| Triedy pevnosti a charakteristické hodnoty ihličnatého „C“ a listnatého dreva „D“ | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| [MPa] | ||||||||||
| C16 | C24 | C30 | D24 | D30 | D35 | D40 | D50 | D60 | D70 | |
| fm,k | 16 | 24 | 30 | 24 | 30 | 35 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| ft,0,k | 10 | 14 | 18 | 14 | 18 | 21 | 24 | 30 | 36 | 42 |
| ft,90,k | 0,5 | 0,5 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 |
| fc,0,k | 17 | 21 | 23 | 21 | 24 | 25 | 27 | 30 | 33 | 36 |
| fc,90,k | 2,2 | 2,5 | 2,7 | 4,9 | 5,3 | 5,4 | 5,5 | 6,2 | 10,5 | 12,0 |
| fv,k | 1,8 | 2,5 | 3,0 | 3,7 | 3,9 | 4,1 | 4,2 | 4,5 | 4,8 | 5,0 |
| [GPA] | ||||||||||
| E0,mean | 8 | 11 | 12 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 17,0 | 20,0 |
| E0,05 | 5,4 | 7,4 | 8,0 | 8,4 | 9,2 | 10,1 | 10,9 | 11,8 | 14,3 | 16,8 |
| E90,mean | 0,27 | 0,37 | 0,40 | 0,67 | 0,73 | 0,8 | 0,87 | 0,93 | 1,13 | 1,33 |
| Gmean | 0,5 | 0,69 | 0,75 | 0,63 | 0,69 | 0,75 | 0,81 | 0,88 | 1,06 | 1,25 |
| [kg‧m−3] | ||||||||||
| ρk | 310 | 350 | 380 | 485 | 530 | 540 | 550 | 620 | 700 | 800 |
| ρmean | 370 | 420 | 460 | 580 | 640 | 650 | 660 | 740 | 840 | 960 |
Pre porovnanie v tabuľke 2 sú uvedené používané triedy pevnosti v jednotlivých krajinách. Každá krajina ich špecifikuje v národnom predpise a súčasne ich zosúlaďuje s predpisom EN 338.
Pri ihličnatom dreve je významná zhoda je pri vyšších triedach pevnosti (C30 a C24), kde všetky krajiny akceptujú vysoké parametre kvality konštrukčného dreva (fm,k, E0,mean a ρmean). Akceptácia rovnakých tried pevností umožňuje medzi jednotlivými krajinami bezbariérovú spoluprácu v oblasti projektovania a výroby drevných stavebných konštrukcií. Pri triede pevnosti C18 je tiež zaznamenaná zhoda okrem triedy SII (SR). Konštrukčné drevo C16 – C18 sa však požíva prevažne na nenosné konštrukcie.
Listnaté drevo európskych drevín označované triedami pevnosti „D“ uvádza len Nemecko, a to triedami D40, D35 a D30, v ktorých sa špecifikujú nasledovné dreviny (EN 1912):
- buk D40 a D35 (LS13, LS10), ďalej pre jaseň D40 (LS10), dub a javor D30 (LS10).
- ostatné krajiny, ktoré triedia listnaté drevo ( Francúzsko, Holandsko, Spojené kráľovstvo a i. ) uvádzajú triedy pevnosti „D“ pre listnaté exotické dreviny.
EN 1912 zaraďuje krajiny do skupiny Európy s príslušnými triedami pevnosti. Zohľadňuje sa pôvod stavebného dreva – geografická oblasť, v ktorej stromy vyrástli a z ktorých bolo stavebné rezivo vyrobené. Jednotlivé štáty, vydávajúce triediace pravidlá sú označené:
- CNE Európa (stredná, severná a východná),
- NNE Európa (Severná a severovýchodná),
- NC Európa (severná a stredná).
Slovenská republika svojou geografickou polohou je zaradená do CNE Európy, kde je aj napr. Česká republika, Nemecko, Rakúsko).
| EN 338 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Predpis | Pevnostné triedy – charakteristické hodnoty | |||||||||||
| Ihličnaté | Listnaté | |||||||||||
| C16 | C18 | C24 | C30 | D24 | D30 | D35 | D40 | D50 | D60 | D70 | ||
| ƒm,k | [MPa] | 16 | 18 | 24 | 30 | 24 | 30 | 35 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| E0, mean | [kN/mm2] | 8 | 9 | 11 | 12 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 17 | 20 |
| ρmean | [kg‧m−3] | 370 | 380 | 420 | 460 | 580 | 640 | 650 | 660 | 740 | 840 | 960 |
| STN 49 1531 (SK) | SII | – | SI | S0 | – | – | – | – | – | – | – | |
| CSN 49 1531-1 (CR) | – | S7 | S10 | S13 | – | – | – | – | – | – | – | |
| PN 82/D94021 (PL) | – | KG | KS | KW | – | – | – | – | – | – | – | |
| DIN 4074-1:2003 (SRN) | – | S7 | S10 | S13 | – | – | – | – | – | – | – | |
| ÖN DIN 4074-1 + A1 (A) | – | S7K | S10K | S13K | – | – | – | – | – | – | – | |
| DIN 4074-5:2003 (SRN) | – | – | – | – | – | – | LS10 (buk) | LS13 (buk) | – | – | – | |
Aplikácie
Bukové drevo je napriek špecifickým vlastnostiam možné využiť na stavebné účely. Pri použití masívneho bukového reziva v kmeňových dĺžkach, alebo v dĺžkach a rozmeroch v akých sa vyrábajú sortimenty smrekového dreva sa predpokladajú určité obmedzenia (KÚDELA, J., ČUNDERLÍK, I., 2012, ROHNER 2013). Doterajší vývoj a výskum poukazuje na jeho použitie v nových typoch konštrukcií a rôznych hybridných prvkoch v kombinácií drevných i nedrevných materiálov (AICHER a kol. 2016).
Používanie bukového dreva na konštrukčné účely bolo v minulosti obmedzené. Porovnateľná, dokonca vyššia cena bukovej guľatiny ako smrekovej guľatiny, takúto možnosť v minulosti ekonomicky úplne vylučovala. Nové spôsoby obrábania dreva, nové typy stavebných systémov odolnejších lepidiel, výkonnejšieho náradia či spojovacích prostriedkov popri meniacej sa skladbe našich lesov otvára bukovému drevu nové horizonty. Z hľadiska minimalizácie rizika degradácie a následného kolapsu konštrukcie je vhodné situovať nosné konštrukcie na báze buka do interiéru, prípadne k vnútornému okraju obálkových konštrukcií difúzne otvorených skladieb. Možnosti využitia buka sú napr. v paneloch z krížom lepeného dreva, tenkostenných nosníkoch, priehradových väzníkoch a i. Na obrázkoch 1, 2 a 3, 4 sú znázornené príklady použitia.
Obr. 1 Príklad hybridného bukového CLT panela (AICHER, 2016)
Obr. 2 Príklad bukového nosného systému na báze priehradových väzníkov spájaných styčníkovými doskami s prelisovanými hrotmi
Obr. 3 Detail spoja buk – styčníková doska s prelisovanými hrotmi
Obr. 4 Klinový spoj (lj = 22 mm) na bukovom vlyse
Záver
Napriek tomu, že bukové drevo poskytuje vynikajúce mechanické vlastnosti, v súčasnosti sa nevyužíva na konštrukčné účely z dôvodu nedostatku legislatívnych a technických podkladov ako aj nerozvinutej a nepreskúmanej technológie spracovania. Pri správnom návrhu konštrukcie a jej ochrane voči biotickým a abiotickým činiteľom však toto drevo vykazuje vynikajúce výsledky.
Využitie bukovej suroviny je úzko spojené s rozvinutím technológie lepenia, keďže tenkostenné nosníky, lepené lamelové a dĺžkovo spájané produkty sa predpokladajú ako hlavné účely využitia.
Poďakovanie
Tento príspevok vznikol v rámci projektu „Stavebné konštrukcie z bukového dreva ako strategickej suroviny, predikcia parametrov kvality a ich implementácia v diagnostických metódach“ VEGA 1/0395/16.
Literatúra
- EN 384, 2010. Structural Timber. Determination of characteristic values of mechanical properties and density.
- EN 1912 + AC, 2012. Structural timber – Strength classes. Assignement of visual grades and species.
- EN 338, 2016. Structural timber – Strength classes.
- STN 49 1531, 2001. Drevo na stavebné konštrukcie. Časť 1: Vizuálne triedenie podľa pevnosti.
- EN 408, 2013. Timber structures. Structural timber and glued laminated timber. Determination of some physical and mechanical properties.
- AICHER, S., HIRSCH, M., CHRISTIAN, Z. 2016. Hybrid Cross-laminated Timber Plates with Beech Wood Cross-layers. Construction and Building Materials. 1007–1008, 2016.
- AICHER, S., CHRISTIAN, Z., DILL-LANGER, G. 2016. HARDWOOD GLULAMS – EMERGING TIMBER PRODUCTS OF SUPERIOR MECHANICAL PROPERTIES. World Conference on Timber Engeering. WCTE 2014, august 10–14, 2014.
- BERGMAN, R., a kol. 2010. Wood Handbook, Wodd as en engeneering material. [Online] 2010.
http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf. - KÚDELA, J., ČUNDERLÍK, I. 2012. Bukové drevo štruktúra, vlastnosti, použitie. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2012. ISBN 978-80-228-2318-0.
- ROHNER, T. 2013. HYBRIDNÍ STAVBY – klíč k městské výstavbě se dřevem. DŘEVOSTAVBY 2013. Sborník přednášek z odborného semináře se zahraniční účastí. VOŠ Volyně. str. 265–276. ISBN 978-80-86837-51-2.
- ROHANOVÁ, A. 2013. Predikcia parametrov kvality smrekového konštrukčného dreva. Vedecká monografia. Technická univerzita vo Zvolene 2013. ISBN 978-80-228-2631-0, 79 s.
- WEIDENHILLER, A., DENZLER, J.K. 2009. Optimising Machine Strength Grading with Three Indicating PropertiesCost Action E53 Conference 22nd – 23rd Lisabon : Structural timber. Strength classes. 2009.
- WIDMAN, R. 2011. Granding of thermally modified beech timber. Sopron: Proceedings 17th Internation nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. University of West Hungary, Faculty of Wood Science, Sopron, 2011. ISBN: 978-963-9883-82-6.
Cíl, který si autoři stanovili, je z textu článku zřejmý – informovat o současném trendu využívání dřeva jehličnatých a listnatých stromů ve stavebnictví a poukázat tak na nutnost zvýšeného využívání listnatých dřevin, v daném případě bukového dřeva. V současné době ovšem není zpracován (ani v Česku ani na Slovensku) dostatek technických, výrobních a legislativních podkladů pro využívání bukového dřeva v nosných stavebních konstrukcích. Hlavní využívání bukového dřeva v současné době spočívá v konstrukcích vytvářených z kombinovaných prvků a dílců, což autoři článku uvádějí (lepené lamelové dřevo, vrstvené dřevo, další produkty). Zásadní jsou proto práce související s výzkumem technologie lepení bukového dřeva a skutečného působení lepených spojů. Autoři toto uvádějí jako jeden ze zásadních směrů vývoje v oblasti využívání bukového dřeva v konstrukcích, důležité jsou rovnež materiálové charakteristiky a závěry potřebné pro praktické navrhování (třídy pevnosti listnatého dřeva a charakteristické hodnoty). Pro uživatele je přínosné i uvedení příkladů použití bukového dřeva na obrázcích. Příspěvek shnuje pro praxi velmi důležité věci a proto jej doporučuji k publikaci.
The text describes why and under what conditions the use of beech wood in building structures. Given the legislative and experimental requirements for verification of properties of beech sorting into classes of forts "D". Evaluation of the quality beech wood over the strength of the reliable design, production technology class predictive level as well as the durability of wooden building elements.