Hodnocení kvality konstrukčního řeziva vizuální a ultrazvukovou metodou
Drevo, ktoré sa používa na stavebné konštrukcie, si vyžaduje ohodnotenie vlastností – zatriedenie do kvalitatívnej triedy so zreteľom na jeho mechanické vlastnosti. Metódy na hodnotenie kvality konštrukčného dreva sa rozdeľujú na dve skupiny: vizuálna metóda a strojové metódy založené na rôznych princípoch.
Kvalita stavebného dreva sa určuje podľa predpisov STN a EN. STN EN 49 1531 uvádza triedy reziva – S0, SI a SII, ako aj kritéria triedenia (hrčovitosť, odklon vlákien od pozdĺžnej osi reziva, a i.). Hodnotením kvality stavebného dreva ultrazvukovou metódou sa zatriedi rezivo do pevnostnej triedy C s odpovedajúcimi hodnotami hustoty, modulu pružnosti a charakteristickej pevnosti podľa STN EN 338. Najvyššia spoľahlivosť a efektivita triedenia konštrukčného reziva sa dosiahne kombináciou obidvoch metód hodnotenia jeho kvality.
Úvod
V súčasnosti sa na hodnotenie kvality stavebného dreva v SR využíva vo väčšine piliarskych závodov vizuálna metóda triedenia. Rezivo sa triedi na základe predpisu STN EN 49 1531. V zahraničí od polovice 20. storočia sa začali do praxe aplikovať strojové metódy triedenia. Stavebné drevo triedia na rôznych princípoch: ohybovom, prežarovacom, vibračnom a ultrazvukovom. Na základe meranej veličiny, napr. priehybu, rýchlosti šírenia vibrácií, ultrazvuku v dreve, rezivo sa zatriedi do tried pevností C18–C40 s odpovedajúcimi charakteristickými hodnotami pevnosti a pružnosti podľa EN 338. Na obr. 1 je rozdelenie triediacich metód (vizuálna, strojové) spolu s predpismi triedenia.
![Obr. 1 Rozdelenie triediacich metód [5]](/docu/clanky/0084/008415o1.png)
Obr. 1 Rozdelenie triediacich metód [5]
1. Vizuálna metóda
V procese vizuálneho triedenia sa zaradí konštrukčné rezivo do kvalitatívnej triedy, ktorej odpovedajú určité hodnoty pevnosti a pružnosti [4]. V Európe existuje veľký počet rôznych pravidiel na vizuálne triedenie reziva. Odlišujú sa počtom kvalitatívnych tried, triediacimi parametrami a tiež postupom merania posudzovaných vlastností [2, 4]. Líšia sa najmä postupy na vyjadrenie hrčavosti. Z tohto dôvodu prakticky nie je možné zjednotiť pravidlá vizuálneho triedenia reziva v celej Európe. Na Slovensku sa stavebné rezivo triedi prevažne vizuálnou metódou podľa STN EN 49 1531.
Doskové a hranené rezivo sa triedi do tried:
- S0 – rezivo vysokej pevnosti,
- SI – rezivo normálnej pevnosti,
- SII – rezivo nízkej pevnosti.
Najvýznamnejším vizuálnym ukazovateľom kvality stavebného dreva je výskyt hŕč (česky: suků - pozn. red.). Používajú sa dve metódy ich hodnotenia: cez pomerné rozmery hŕč (pomer súčtu veľkosti hŕč na ploche a hrane k dvojnásobku šírky reziva) a podľa prierezového podielu hŕč (pomer prierezových plôch všetkých hŕč k prierezu celkovej plochy reziva ) – KAR metóda. Medzné hodnoty pomerného rozmeru hŕč a prierezového podielu hŕč sa uvádzajú v tab. 1 a 2.
| Vlastnosť | Trieda | |||
|---|---|---|---|---|
| S0 | SI | SII | ||
| Hrče | jednotlivé | a., u doskového reziva a lát sa dovoľujú rozmeru | ||
| 1/5 | 1/3 | 1/2 | ||
| b., u hraneného reziva sa dovoľujú | ||||
| 1/5 | 2/5 | 3/5 | ||
| rozmer hrče však nesmie prekročiť | ||||
| 50 mm | 70 mm | - | ||
| skupinové | a., u doskového reziva a lát sa dovoľujú do pomerného rozmeru | |||
| 1/3 | 1/2 | 2/3 | ||
| Na hranenom rezive s menovitým rozmerom ktorejkoľvek strany prierezu menším ako 75 mm sa hrče hodnotia ako na doskovom rezive. | ||||
| Prierezový podiel hŕč | Trieda | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| S0 | SI | SII | |||
| okrajový | najviac 1/5 | najviac 1/2 | > 1/2 | najviac 1/2 | > 1/2 |
| celkový | najviac 1/5 | najviac 1/3 | najviac 1/5 | najviac 1/2 | najviac 1/3 |
Okrem hŕč sa posudzuje pri vizuálnom triedení odklon vláken, priemerná šírka ročných kruhov, trhliny, obliny, zakrivenie, hniloba dreva, poškodenie hmyzom, prítomnosť stržňa a i. Všetky uvedené vlastnosti sa musia posudzovať na všetkých štyroch pozdĺžnych stranách každého prvku (obr. 2).
![Obr. 2 Metóda posudzovania hŕč na doskovom rezive [9]](/docu/clanky/0084/008415o2.png)
Obr. 2 Metóda posudzovania hŕč na doskovom rezive [9]
2. Ultrazvuková metóda
Obr. 3 Zrieďovanie a zahusťovanie hmotného prostredia
Ultrazvuk sa definuje ako mechanické kmitanie hmotného prostredia, jeho zrieďovanie a zahusťovanie, s frekvenciou vyššou ako je schopné zachytiť ľudské ucho – nad 20 000 Hz (obr. 3). Technický ultrazvuk, ktorý sa využíva pri hodnotení kvality stavebného dreva, sa získava elektroakustickými meničmi.
Ultrazvuk sa šíri v dreve rýchlosťou c [m.s−1], ktorá závisí od jeho kvalitatívnych parametrov – hustoty ρ [kg.m−3] a Youngovho modulu pružnosti E [MPa], podľa vzťahu [3]:
Okrem uvedených parametrov kvality dreva ρ a E vplývajú na rýchlosť šírenia ultrazvuku aj vlhkosť a teplota dreva. Priemerná rýchlosť šírenia zvuku v smrekovom dreve dosahuje okolo 5 000 m.s−1 [3]. Z pohľadu štruktúry dreva vplýva na rýchlosť šírenia ultrazvuku v dreve najmä priebeh vlákien (odklon od pozdĺžneho smeru), pričom platí vzťah [3]:
kde
- cII
- – rýchlosť šírenia ultrazvuku v pozdĺžnom smere,
- c⊥r
- – rýchlosť šírenia ultrazvuku kolmo na vlákna v radiálnom smere,
- c⊥t
- – rýchlosť šírenia ultrazvuku kolmo na vlákna v tangenciálnom smere.
Prítomnosť nehomogenít (hrče, trhliny...), ktoré ultrazvuk buď obtečie, alebo sa od nich odrazí, resp. dôjde k jeho pohlteniu, tiež ovplyvňuje rýchlosť šírenia ultrazvuku. Spolupôsobenie štruktúry dreva a ultrazvukového šírenia v jeho pozdĺžnom smere na výslednú triedu pevnosti reziva možno znázorniť nasledovne [2]:
nehomogenít ≈ čas šírenia ultrazvuku ≈ 
rýchlosť ultrazvuku ≈ pevnostná trieda CHodnotenie kvality konštrukčného dreva ultrazvukovou metódou sa aplikuje v prístroji SylvatestDuo®. Prístroj priamym alebo nepriamym meraním s pracovnou frekvenciou 22 kHz umožňuje jednoduché a rýchle stanovenie kvality dreva. Hodnoty namerané pri danej vlhkosti a hustote dreva, sa transformujú k charakteristikám kvality dreva podľa EN 338. SylvatestDuo® sa využíva v celom reťazci hodnotenia kvality dreva na stavebné konštrukcie, t.j. od stromov, reziva, lepeného lamelového dreva. Výrobca prístroja udáva aj možnosť posudzovania kvality dreva „in situ“, v zabudovaných konštrukčných prvkoch (obr. 4).
Obr. 4 Možnosti použitia prístroja SylvatestDuo®
Obr. 5 Aparatúra SylvatestDuo®
SylvatestDuo® pozostáva z častí (obr. 5):
- meracia jednotka, ultrazvukové sondy s vodičmi
- vreckový počítač HP iPAQ + software Sylvius.
Meracia jednotka zaznamená:
- čas prechodu ultrazvukového vlnenia drevom [μs],
- rýchlosť ultrazvuku [m.s−1],
- maximálnu a minimálnu amplitúdu ultrazvukového vlnenia [mV].
Na základe získaných hodnôt s použitím softwaru Sylvius sa vyhodnotí modul pružnosti, charakteristická pevnosť a trieda pevnosti C v súlade s EN 338.
3. Materiál a metódy
Hodnotenie kvality stavebného dreva sa vykonalo na smrekovom rezive (Picea abies, L.) konštrukčných rozmerov. Príprava experimentálneho materiálu pozostávala z nasledujúcich krokov:
- výber 13 výrezov, určenie kvality III.A a III.B a ich označenie,
- stanovenie porezovej schémy výrezu – prizma + krajnicové dosky,
- porez prizmy na 4 fošne prierezu 40 × 190 mm, dĺžky 5 000 mm a ich označenie,
- priradenie evidenčného listu každému skúšobnému telesu (fošne),
- vypílenie troch vzoriek na vlhkosť a hustotu dreva (ρ1, ρ2 a ρ3), celkom 156 ks.
Kvalita výrezov, ich počet, počet fošní a ich rozmery sa uvádzajú v tabuľke 3. Princíp značenia skúšobného materiálu a vzoriek na určenie hustoty sa znázorňuje na obr. 6.
| Kvalita výrezov | Počet výrezov [ks] | Počet fošní [ks] | Rozmery [mm] |
|---|---|---|---|
| III. A | 6 | 24 | 40×190 – 5 000 |
| III. B | 7 | 28 | 40×190 – 5 000 |
| Σ | 13 | 52 |
Obr. 6 Princíp značenia materiálu a poloha vzoriek na vlhkosť a hustotu dreva
Kvalita smrekového reziva sa hodnotila:
- vizuálnou metódou,
- prístrojom SylvatestDuo®.
1. Vizuálnou metódou sa stanovila kvalita fošní podľa STN EN 49 1531. Posudzovala sa prítomnosť stržňa a tiež výskyt hŕč na všetkých štyroch stranách reziva podľa 1. metódy ich hodnotenia, metódou pomerných rozmerov hŕč. Stanovila sa vizuálna trieda fošní – S0, SI alebo SII.
2. SylvatestomDuo® sa nameral:
- čas šírenia ultrazvuku [ms],
- rýchlosť ultrazvuku v dreve [m.s-1],
- amplitúdy vlnenia [mV].
Stanovil modul pružnosti E (MOE), pevnosť (MOR) a trieda pevnosti reziva C.
4. Výsledky a diskusia
Výsledky vizuálneho triedenia (kvalita fošní vo vzťahu ku kvalite výrezov)
Obr. 7 Vizuálne triedenie, výrezy III.A a III.B spolu
Obr. 8 Vizuálne triedenie fošne z výrezov III.A a III.B individuálne
Percentuálne zastúpenie kvalitatívnych tried 52 ks fošní z výrezov III.A a III.B (spolu) uvádza obr. 7.
Z celkového počtu 52 ks fošní sa zaradilo:
- 50 % (26 ks) do triedy SII – rezivo nízkej pevnosti,
- 40,4 % (21 ks) do triedy SI – rezivo normálnej pevnosti,
- 9,6 % (5 ks) do triedy S0 – rezivo vysokej pevnosti.
Zastúpenie jednotlivých vizuálnych tried fošní sa líšilo pre výrezy kvalitatívnej triedy III.A a III.B (obr. 8). V tab. 4 sa sumarizujú výsledky vizuálneho triedenia fošní jednotlivo pre výrezy III.A a III.B.
| výrez | počet | Σ fošní | Vizuálne triedy | ||
|---|---|---|---|---|---|
| S0 | SI | SII | |||
| III.A | 6 | 24 | 4 | 14 | 6 |
| III.B | 7 | 28 | 1 | 7 | 20 |
Z obr. 8 je zrejmé, že:
- u fošní, ktoré sa získali z výrezov nižšej kvalitatívnej triedy III.B, je nízky podiel kvalitnejších tried SI a S0 (28,6 %) a vysoké zastúpenie fošní s nízkou pevnosťou – trieda SII (71,4 %),
- naopak fošne získané z výrezov lepšej kvalitatívnej triedy III.A majú vysoký podiel kvalitatívnych tried SI a S0 (75 %) a nízky podiel triedy SII (25 %).
Na základe týchto výsledkov možno konštatovať, že sa správne stanovili kvalitatívne triedy výrezov III.A a III.B. Kvalitatívne triedenie výrezov je opodstatnené. Už na tejto úrovni spracovania dreva na stavebné konštrukcie sa dá vytriediť drevo s nízkou kvalitou (pevnosťou) a obmedziť tak jeho spracovanie na nosné prvky konštrukcie. Problematikou hodnotenia kvality konštrukčného dreva sa zaoberali Wang a kol. (2007). Výsledky ich výskumu rovnako poukazujú na potrebu hodnotenia kvality dreva na stavebné konštrukcie na 1. stupni reťazca triedenia stavebného dreva – pri triedení výrezov do kvalitatívnych tried.
Výsledky ultrazvukového triedenia (kvalita fošní vo vzťahu ku kvalite výrezov)
Na fošniach z kvalitatívnej triedy výrezov III.A ultrazvukovou metódou triedenia reziva sa zistila:
- priemerná hodnota modulu pružnosti 14 541 MPa,
- priemerná hodnota pevnosti 40 MPa,
- najnižšia hodnota modulu pružnosti 12 153 MPa a pevnosti 31 MPa (pevnostná trieda C30),
- najvyššia hodnota modulu pružnosti 16 498 MPa a pevnosti 48 MPa (pevnostná trieda C45).
U fošní z výrezov kvalitatívnej triedy III.B sa namerala:
- priemerná hodnota modulu pružnosti 12 499 MPa,
- priemerná hodnota pevnosti 32 MPa,
- najnižšia hodnota modulu pružnosti 9 442 MPa a pevnosti 20 MPa (pevnostná trieda C18),
- najvyššia hodnota modulu pružnosti 14 813 MPa a pevnosti 41 MPa (pevnostná trieda C40).
Obr. 9 Pevnostné triedy fošní – výrezy III.A a III.B, ultrazvuková metóda
Medzi fošňami z výrezov III.A a III.B sa líšia priemerné hodnoty:
- modulu pružnosti o 14 % (nižšie hodnoty pre III.B),
- pevnosti o 20 % (nižšie hodnoty pre III.B).
Porovnanie zastúpenia pevnostných tried fošní z výrezov III.A a III.B sa znázorňuje graficky na obr. 9.
Z obr. 9 možno vyvodiť, že:
- väčší rozptyl pevnostných tried je u fošní z kvalitatívnej triedy výrezov III.B – C18 až C40,
- jednoznačne vyššie pevnostné triedy sa stanovili pre fošne z výrezov kvalitatívnej triedy III.A – C30 až C45.
Porovnanie výsledkov vizuálneho a ultrazvukového triedenia
Pri porovnaní výsledkov vizuálneho a pevnostného triedenia fošní sa vychádzalo z poznatkov, že vizuálnej triede [10]:
- SII odpovedajú pevnostné triedy C16–C22,
- SI odpovedajú pevnostné triedy C24–C27,
- S0 odpovedajú pevnostné triedy C30–C45 (C50).
Vizuálnou metódou hodnotenia kvality dreva fošní sa zatriedilo:
- 50 % fošní do SII,
- 40,4 % fošní do SI,
- 9,6 % fošní do S0.
Ultrazvukovou metódou hodnotenia kvality dreva sa zaradilo:
- 5,8 % fošní do C18 a C22 ≈ SII,
- 13,4 % fošní do C24 a C27 ≈ SI,
- 80,8 % fošní do C30–C45 ≈ S0.
Obr. 10 Porovnanie výsledkov vizuálneho a ultrazvukového triedenia
Porovnanie percentuálneho zastúpenia kvalitatívnych tried fošní sa zobrazuje na obr. 10.
Na základe výsledkov vizuálneho a ultrazvukového hodnotenia kvality konštrukčného reziva konštatujeme, že pri vizuálnom triedení dochádza k podhodnoteniu kvality dreva. Krzosek a Grześkiewicz (2008) dospeli k podobným záverom pri hodnotení kvality konštrukčného dreva vizuálnou a strojovou metódou založenou na vibračnom princípe (MTG Timber Grader). Napriek tomu, vizuálne triedenie stavebného dreva je opodstatnené pri triedení výrezov do kvalitatívnych tried.
Záver
Drevo je stavebný materiál so širokou škálou pružnostných a pevnostných vlastností. Na zabezpečenie spoľahlivosti a trvanlivosti stavebných konštrukcií sa konštrukčné drevo triedi, t.j. hodnotia sa jeho kvalitatívne parametre (pružnosť, pevnosť). V súčasnosti sa vykonáva triedenie konštrukčného dreva vizuálnou metódou a strojovými metódami. Na dosiahnutie efektívnosti triedenia sa musia stanoviť jednoduché pravidlá triedenia, no zároveň nesmie dôjsť k jeho zníženej spoľahlivosti. Pri vizuálnom triedení, na základe vonkajších znakov reziva, sa nedajú objektívne ohodnotiť jeho pevnostné a pružnostné vlastnosti. Z tohto dôvodu sa zaraďuje pri vizuálnom triedení menšie množstvo reziva do vyšších kvalitatívnych tried. Objektívne posúdenie kvality konštrukčného reziva si vyžaduje zavedenie strojových metód triedenia v kombinácii s vizuálnou metódou, ktorá je ľahko osvojiteľná a ekonomicky nenáročná. Na dosiahnutie vysokého zastúpenia najkvalitnejšieho konštrukčného reziva sa odporúča triediť drevo na viacerých stupňoch premeny drevnej suroviny do finálneho konštrukčného prvku (od stojacich stromov, cez guľatinu, výrezy až po rezivo na stavebné konštrukcie).
Použitá literatúra
- [1] KRZOSEK, S. – GRZEŚKIEWICZ, M. Strength grading Polish-grown Pinus sylvestris L. structural sawn timber using Timber Grader MTG and visual method. In Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW: Forestry and Wood technology. ISSN 1898-5912, 2008, no 66, p. 26-31.
- [2] NUNEZ, E. Hodnotenie kvality dreva na stavebné konštrukcie vizuálnou a ultrazvukovou metódou: diplomová práca práca. Zvolen: TU, 2010. 84 s.
- [3] POŽGAJ, A. a kol. Štruktúra a vlastnosti dreva. 1. Vyd. Bratislava: PRÍRODA, 1993. 486 s. ISBN 80-07-00600-1
- [4] ROHANOVÁ, A. Pevnostné charakteristiky dreva a spojov v stavebných konštrukciách: habilitačná práca. Zvolen: TU, 2000. 72 s.
- [5] ROHANOVÁ, A. – LAGAŇA, R. – NUNEZ, E. Influence of structural timber length on its quality parameters identified by acoustic methods. In Wood Structure and Properties ´10. ISBN 978-80-968868-5-2, 2010, p.169-174.
- [6] Wang, X. – Carter, P. – Ross, J.R. – Brashaw, B.K (2007). Acoustic Assessment of wood quality of raw forest materials. In Forest Products Journals 57 (5): 6-14.
- [7] STN EN 338. Konštrukčné drevo. Pevnostné triedy. 2010
- [8] STN EN 14081-4. Drevené konštrukcie. Pevnostne triedené konštrukčné rezivo s pravouhlým prierezom. Časť 4: Strojové triedenie. Nastavenia triediacich strojov pre strojovo riadené systémy.
- [9] STN EN 49 1531. Drevo na stavebné konštrukcie, Časť 1: Vizuálne triedenie podľa pevnosti. 2001.
- [10] STN EN 1912+A4 (73 2822). Konštrukčné drevo. Pevnostné triedy. Zaradenie vizuálnych tried a druhov dreva (Konsolidovaný text)
Wood that is used in building construction, requires evaluation of the properties - classification in grade with regard to its mechanical properties. Methods for assessing the quality of structural timber is divided into two groups: a visual method and automated methods based on different principles. Quality of timber is determined by the Slovak technical standards and EN. STN EN 49 1531 provides classes of timber - S0, SI and SII, as well as sorting criteria. The evaluation of quality timber ultrasonic method is classified into the timber strength class C with the corresponding values of density, elastic modulus and characteristic strength according to STN EN 338. Highest reliability and efficiency of sorting structural timber is achieved by a combination of both methods of assessing its quality.