Časopis Stavebnictví - příloha Dřevostavby

Transkript

2016
Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě
Český svaz stavebních inženýrů
Svaz podnikatelů ve stavebnictví v ČR
Příloha časopisu
Stavebnictví 01–02/16
stavebnictví
MK ČR E 17014
l
á
i
c
e
sp
dřevostavby
možnosti monitorování a diagnostiky dřevostaveb
www.casopisstavebnictvi.cz
Cop
C
Co
op
pyr
yyri
righ
ght
g
h by
b Lé
LéonW
o Wo
oo
ood
o ®
4. - 7. 2. 2016
Výstaviště Praha - Holešovice
www.drevostavby.eu
www.modernivytapeni.cz
DOPROVODNÝ PROGRAM VELETRHU DŘEVOSTAVBY
Průmyslový palác - Střední hala - Salon dřevostaveb
PÁTEK 5. 2. 2016
11:30 – 12:00
Energetická náročnost budov – novinky, průkazy, specialisté
Státní energetická inspekce - Ing. Marcela Juračková
15:00 – 15:30
Trendy ve výstavbě pasivních dřevostaveb a příklady z praxe
ARCHCON atelier - Ing. Irena Truhlářová
Od poloviny roku 2015 platí nová legislativní úprava, která nastavuje
a upřesňuje některé povinnosti spojené s energetickou náročností
budovy a průkazy energetické náročnosti budovy. Tyto úpravy se
dotýkají téměř každého občana, jelikož se promítají do stavby domů
stejně jako třeba prodejů a pronájmů domů či bytů. Novinky se
odrazily i do samotného zpracovávání průkazů. Prezentace upozorní
na tyto změny v legislativě a doporučí, jak k jednotlivým povinnostem
přistoupit na základě zkušeností Státní energetické inspekce s praktickým prováděním.
Představení průběhu dvou projektů od studie k realizaci, seznámení
posluchačů s řešením konstrukce, TZB a optimalizací na Novou
zelenou úsporám.
12:00 – 12:30
Jak se správně připravit na energetický audit
Státní energetická inspekce - Ing. Marcela Juračková
Legislativní úprava zavádějící novou povinnost v oblasti energetických auditů pro vybrané podnikatele přinesla velké nejasnosti
v tom, jak si tuto novou úpravu vyložit a jak zasahuje do stávajících
povinností. Prezentace představí názor Státní energetické inspekce
na oblast energetických auditů, jaké jsou možné přístupy k povinnostem a jak jim dostát.
13:30 – 14:00
Konstrukční systém STEICO - materiály, certifikace konstrukcí
MTA Praha - Michał Komorowski, Ladislav Kubů
Seznámení odborné i laické veřejnosti s konstrukčními a izolačními
materiály vyráběných na bázi dřeva společností STEICO, konstrukčním
systémem vyvinutým pro dřevostavby, difúzně otevřenými certifikovanými skladbami stěnových, stropních a střešních konstrukcí vč. komplexních tech. podkladů pro navrhování a realizace dřevostaveb.
14:00 – 15:00
Proč bychom si měli postavit kvalitní dřevostavbu?
Asociace dodavatelů montovaných domů - Ing. Vratislav Blaha, CSc.
Ucelený návod a doporučení pro zájemce o výstavbu nové dřevostavby, na co se zaměřit při výběru zhotovitele svého domu.
15:30 – 16:30
Stezka v oblacích – unikátní projekt na Dolní Moravě
Prof. Ing. arch. Zdeněk Fránek
Pan architekt Zdeněk Fránek považuje dřevo za základní stavební
materiál. Na veletrhu DŘEVOSTAVBY 2016 bude prezentovat několik
svých pozoruhodných realizací s použitím dřeva, od počátku
jeho tvorby, až po poslední unikátní projekt Stezku v oblacích na
Dolní Moravě.
16:30 – 17:00
Dřevo jako stavební materiál
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT
- doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.
Problém udržitelného využívání přírodních zdrojů. Zásoby dřeva
v ČR. Přednosti dřeva z hlediska ekologického, sociálního a ekonomického. Vlastnosti dřeva a jeho vnímání. Určovaní vlastností dřeva.
Problematika lepeného lamelového dřeva. Pokročilé nedestruktivní
metody pro zjišťování vlastností konstrukčního dřeva.
17:00 – 17:30
Navrhování staveb ze dřeva na účinky požáru
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT
- doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.
Požární bezpečnost a odolnost staveb. Normový a skutečný požár.
Chování materiálů a konstrukcí z různých materiálů při požáru.
Požární odolnost prvků ze dřeva a materiálů na bázi dřeva a preventivní opatření. Hodnocení požární odolnosti dřevěných konstrukcí.
Požární zkoušky dílců a celých dřevostaveb za účelem rozšíření poznání.
SOBOTA 6. 2. 2016
10:30 – 11:00
DEKPANEL – masivní dřevěné panely
Dřevostavby Biskup - Stanislav Biskup, Ing. Jiří Skřipský
Systém dřevostaveb z masivních dřevěných panelů. Výhody dřevostaveb z DEKPANEL a jejich uplatnění v praxi pro nízkoenergetické
a pasivní stavby.
11:00 – 11:30
Proč bychom si měli postavit kvalitní dřevostavbu?
11:30 – 12:00
Dřevostavby - svoboda a pokora
Vesper Frames - Ing. Michal Šopík
Kvalitní, estetické a hodnotné projekty vyžadují více než standardní
vhled. Vyžadují službu klientovi s esencí porozumění, lásky a respektu.
Jedině poté bude naplněno poslání – tvořit zajímavé a jedinečné
stavby.
12:00 – 12:30
Dřevostavba, která má energie pod kontrolou
MS Haus - Ing. Milan Schmiedt
Vyhodnocení energetické bilance konkrétního dřevěného nízkoenergetického domu vč. vyčíslení úspor nákladů na jeho vytápění.
12:30 – 13:00
NULOVÁ dřevostavba, co to je a kdo by ji nechtěl?
Asociace pro využití telených čerpadel - Ing. Josef Slováček
Jo je to „nulový“ dům? Jak je vybaven a jak funguje? Jakých úspor
energií na vytápění můžete dosáhnout?
13:00 – 14:00
Dřevostavba roku 2015 – slavnostní vyhlášení
Odborné časopisy DŘEVO&stavby a sruby&roubenky
– moderuje Aleš Cibulka
Celoroční čtenářská soutěž odborných časopisů DŘEVO&stavby
a sruby&roubenky vyústí na holešovickém výstavišti slavnostním
vyhlášením výsledků soutěže spojeném s předáním cen jak soutěžícím, tak hlasujícím. Vylosovaným hlasujícím budou předány ceny
v hodnotě téměř půl milionu korun, dodavatel nebo architekt
vítězného domu získá putovní cenu časopisů – dřevěnou plastiku
knihovny od uměleckého řezbáře Martina Patřičného.
14:00 – 14:30
Co je třeba zohlednit při výběru zhotovitele dřevostavby?
14:30 – 15:00
Kvalitně postavený dům – jak na to a co kontrolovat?
Výzkumný a vývojový ústav dřevařský - Ing. Jitka Beránková, Ph.D.
Prezentace je zaměřena na kontrolu kvality dřevostaveb od jejich
výroby u zhotovitelů až po montáž na stavbě.
15:00 – 15:30
Akustika - silná stránka dřevostaveb
Fermacell GmbH - Ing. Jaroslav Benák
Cílem prezentace je představení výhod konstrukcí na bázi dřeva
z hlediska akustických parametrů.
15:30 - 16:00
Bydlení v nové nízkoenergetické dřevostavbě
Asociace dodavatelů montovaných domů - Zákazník, který bydlí
v nové dřevostavbě
Praktické zkušenosti uživatele nové nízkoenergetické montované
dřevostavby s výstavbou a užíváním domu. Diskuze s posluchači.
16:00 - 18:00
Mozaika dřevostaveb
Salon dřevostaveb - Ing. arch. Pavel Horák
Ročenka dřevostaveb vydávaná v rámci největší nesoutěžní přehlídky
Salon dřevostaveb každoročně shrnuje nejlepší realizace, které za
poslední rok vznikly v České republice a na Slovensku. A již tradičně
se tyto stavby představí „naživo“ v sobotní Mozaice dřevostaveb
v rámci mezinárodního veletrhu Dřevostavby.
Zajímá Vás, jak všechny tyto domy vznikly, čím jsou charakteristické
a jaký je jejich příběh? Přijďte zjistit, co stálo za vytvořením těchto
jedinečných projektů. Jedenáct architektů představí v rámci bloku
krátkých přednášek Mozaika dřevostaveb 11 domů publikovaných
v čerstvé Ročence dřevostaveb.
Atelier ARS: DAGROS, Kostomlaty nad Labem | Ing. arch. Pavel Šmelhaus
COARCHITECTS: Dům se zelenou čepicí, Starý Jičín | Ing. arch. Jana
Dedecius Martochová
Createrra: Pasívny dom, Jablonové | Ing. Marián Prejsa
Createrra: Pasívny dom, Pezinok | Mgr. art. Bjørn Kierulf
LIKO-S: LIKO-NOE, Slavkov u Brna | Ing. Josef Volf
KubisArchitekti: Rodinný dom, Edelstal | Ing. arch. Daniel Kubiš
MOLO architekti: Dům pod strání, Rychnov nad Kněžnou | MgA. Mária
Horecká Nalevanková
Prodesi|Domesi: Rodinný dům, Prysk | Ing. arch. Pavel Horák
Prodesi|Domesi: Rodinný dům, Středokluky | Ing. arch. Michal Kotlas
Ateliér VAN JARINA: Dom so zelenou strechou, Bratislava-Rusovce |
Ing. arch. Ivan Jarina
VLLNNA: Saunoaltán KIJUKIJU v Biotopu Radotín | Ing. arch. Petr Šindelář
NEDĚLE 7. 2. 2016 – SRUBY A ROUBENKY
10:30 - 11:00
Výroba srubů a roubenek - úvod
Odborný časopis Sruby a Roubenky, OK PYRUS
- Radek Beneš, Otakar Koudelka
Dřevo je pro člověka nejzdravější stavební materiál, který si může
dopřát, ale má svá specifika – kdo chce bydlet v dřevěném domě,
tak by měl dřevu rozumět.
Letmý průběh celého procesu návrhu, stavby a bydlení ve srubu/
roubence:
1) výběr a těžba dřeva
2) Zásady navrhování staveb a projektová dokumentace
3) Proces výstavby, technologie
4) Údržba a život v dřevěném domě.
11:00 - 11:15
Představení realizace
LéonWood - Rainer Schweigel, Richard Lehmann
11:15 - 11:30
Sruby a roubenky z přírodního masivu
Sruby Pacák – Pavel Pacák
Představení technologie a realizací, výhody a nevýhody dřevostaveb
z masivu, přínos těchto staveb pro trvale udržitelný rozvoj
11:30 - 11:45
Představení realizace
Roubenky Střihavka
11:45 - 12:00
Zajímavá stavba pro zajímavého člověka
OK Pyrus – Otakar Koudelka
Roubenka, která slouží třem účelům, postavená z borovice pro
legendárního horolezce Zoltána Demjána, který jako první Čechoslovák stanul na nejvyšší hoře světa. Muž z Mount Everestu se ve
svých šedesáti letech a po celoživotním bydlení v rušném centru
Bratislavy přestěhoval do roubenky v malé obci Prašník na Kopanicích.
Přijďte se dozvědět o dřevostavbách více
dřevostavby
text doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. | grafické podklady archiv autora
Budoucnost využívání dřeva
v českém stavebnictví
V současné době jsou na stavební konstrukce
kladeny stále rostoucí ekonomické, technologické a energetické požadavky, které je však
potřeba vnímat i z pohledu environmentálně
udržitelného rozvoje. Proto si Evropská komise
v současnosti klade za cíl více podporovat výzkum nových materiálů a konstrukčních systémů
pro stavebnictví, se specifickým zaměřením na
udržitelnou výstavbu.
Z tohoto pohledu je využití dřeva a materiálů na bázi dřeva velmi žádoucí,
protože jen dostupné a snadno recyklovatelné materiály mají v trvale udržitelném rozvoji budoucnost. Dřevo je přitom velice unikátním stavebním
materiálem. Pochází z obnovitelného surovinového zdroje – lesa – a na
jeho zpracování není potřeba vynaložit tolik energie jako na výrobu oceli,
betonu a zdiva. Na druhou stranu z něho lze vyrábět špičkové inženýrské
výrobky a v neposlední řadě ho i různě chemicky modifikovat.
V poslední době se stále více hovoří o Industry 4.0, tedy o čtvrté průmyslové revoluci. Jak víme, první průmyslová revoluce proběhla v roce 1712
s vynálezem parního stroje. Druhá průmyslová revoluce byla nastartována
v roce 1870 s pásovým dopravníkem. Třetí průmyslová revoluce potom
následovala v roce 1969 s nástupem programovatelných logických
automatů (PLC). Čtvrtou průmyslovou revolucí Industry 4.0. by měla být
inteligentní továrna. Inteligentní továrnou současnosti je například výroba
Airbusu, kde se díky perfektnímu souběhu prací podařilo docílit cca 10%
úspory, především časové.
V oblasti stavebnictví Evropská komise již v současnosti podporuje „Lean
Construction“ – způsob, jak organizovat výrobní procesy ve stavebnictví
▼ Obr. 1. Měření radiace při požáru zkušební dřevostavby
4
příloha 01–02/16
tak, aby se minimalizovalo plýtvání materiálu, času a úsilí, s cílem vytvářet
maximální možnou hodnotu. Podle nejnovějších průzkumů totiž stavební
dělníci stráví až 30 % pracovního času čekáním na to, až někdo jiný
dokončí svou práci. Tyto a jim podobné chyby v řízení stavební proces
výrazně prodražují.
V rámci současných trendů tak vzniká obrovská šance pro prefabrikované
dřevostavby, pro které hovoří i tyto důvody:
■ ekonomicko-energetické (na vytápění je oproti běžným silikátovým
stavbám potřeba polovina až třetina energií);
■ rychlost výstavby;
■ pohoda vnitřního prostředí;
■ více vyhovují změnám způsobu života v čase (úpravy, rekonstrukce
apod.);
■ vysoká kvalita a přesnost provedení;
■ nízké náklady na založení stavby vzhledem k nižší tíze dřevostavby
(možnost stavět i tam, kde jsou složitější základové poměry);
■ větší užitný prostor ve vztahu k zastavěné ploše než u staveb provedených klasickou technologií cca o 10 %;
■ dřevostavba je tzv. suchá výstavba, kterou lze realizovat celoročně bez
dopadu na kvalitu provedení.
Vzhledem k tomu, že se dřevostavby po druhé světové válce tolik
nepoužívaly, tak nikomu nevadilo, že v technických normách setrvala
či vznikla určitá omezení, jež měla často kořeny v dávné minulosti, kdy
v domech byla otevřená ohniště. Například Spojené království má stále
v paměti obrovský požár v Londýně v roce 1666, kdy během pěti dnů bylo
zničeno požárem 13 200 domů a 87 kostelů. V souvislosti s nástupem
většího využití dřeva ve stavebnictví proto byly provedeny velmi nákladné zkoušky požární odolnosti dřevěné konstrukce vícepodlažní budovy.
V důsledku těchto zkoušek pak byly změněny technické normy a ve
Spojeném království je možné, mimo jiné, realizovat dřevostavby až do
výšky 18 m. Podíl dřevostaveb na
bytové výstavbě v Anglii a Walesu
činí cca 25 % a ve Skotsku dokonce
přibližně 75 %. Paradoxní přitom je,
že zalesnění Spojeného království
tvoří cca 12 %.
Česká republika se zalesněním
zhruba 34 % má přitom společně
se Švýcarskem, Slovinskem, Německem a Rakouskem nejvyšší
průměrné zásoby dříví na hektar
v Evropě.
Různá omezení v národních technických normách jednotlivých zemí
Evropy se postupně odstraňují, a to
i v rámci procesu sjednocování
norem v Evropě. Je to samozřejmě
dlouhodobější a také citlivá záležitost, protože lidé mají zafixováno,
že dřevo hnije a hoří. Málokdo si
však uvědomuje, že dřevo hnije
a hoří, až když jsou pro to vytvořeny
podmínky, především v podobě
špatné údržby staveb. Ve sdělovacích prostředcích je problematika údržby
staveb stále více prezentována i na příkladech staveb z jiných stavebních
materiálů. Lidé si tak najednou uvědomují, že i jiné konstrukce mohou
mít v případě špatné údržby problémy. Postupně tak dřevo nevnímají jako
rizikový materiál. Důkazem toho jsou existující historické stavby ze dřeva.
Významné změny v evropských normách by měly nastat i během v současnosti nastartovaného procesu tzv. druhé generace Eurokódů. Normy
pro navrhování stavebních konstrukcí budou postupně přepracovány
a rozšířeny na základě nových vědeckých poznatků. Velkým posunem
v přístupu univerzit a výzkumných ústavů k technické normalizaci je
i přijetí názoru, že technické normy jsou přenosem vědy do praktických
metodických postupů.
Normativní omezení v oblasti požární bezpečnosti, která v ČR historicky
vznikla a bylo by dobře se s nimi vyrovnat, jsou například tato.
■ Druhy konstrukčních částí DP1, DP2 a DP3, kde jsou pro dřevo určité
handicapy. Tyto jsou však často akcelerovány špatným výkladem, co je
např. DP2. Většina požárních norem je totiž psána ve stylu slohových
cvičení. Další věcí je, že třídění konstrukcí podle druhů konstrukčních
částí západní Evropa nezná. S ohledem na to, že ČR je členem EU, měli
bychom toto přežité třídění odstranit.
■ Výšku dřevostaveb se v ČR podařilo již zvýšit z 9 m na 12 m. Nicméně
většina zemí západní Evropy opět omezení výšky dřevostaveb nepoužívá
a jako požadavek je stanovena pouze doba požární odolnosti.
■ Velký handicap pro dřevostavby představují požadované odstupové
vzdálenosti, které jsou podle našich zkušeností v některých případech
až dvojnásobné oproti provedeným zkouškám, viz obr. 1. V době, kdy se
velikosti parcel z cenových důvodů snižují, je to pro dřevostavby velmi
omezující. Této problematice bude proto třeba v blízké budoucnosti věnovat zvýšenou pozornost.
■ Problémem pro dřevostavby je i to, že často dochází k nesprávnému
výkladu toho, co je otevřená a co uzavřená požární plocha s ohledem
na její stěny.
V současnosti se snažíme maximálně věnovat rozšíření poznatků
v oblasti požární odolnosti dřevostaveb. Provádíme různé zkoušky na
dřevostavbách při skutečném požáru. Přitom logicky zjišťujeme, že
s rozvojem požáru velmi zásadně souvisí přísun kyslíku. Jestliže například
u dřevostavby použijeme protipožární okno, které za požáru nepraskne,
tak i při otevřených dveřích není výsledek třicetiminutového požáru
fatální, viz obr. 2.
Problematika požární odolnosti konstrukcí nalézá v současnosti vhodná
řešení díky profesionalitě hasičů a jejich schopnosti zasahovat rychle
a kvalifikovaně. Na obr. 3 je vidět půdní prostor zastřešený lehkou
střešní konstrukcí s vazníky s deskami s prolisovanými trny. Od komínového tělesa došlo k vzplanutí jednoho z vazníků a požár se pak
rozšířil i na další vazníky. V průběhu zásahu hasičů byl však minimalizován přísun kyslíku do půdního prostoru a výsledek jejich perfektního
zásahu je zřejmý z obr. 3.
Za velký úspěch můžeme proto považovat, že se v ČR, v souladu
s evropskými trendy, nenásilně podařilo nastartovat tzv. řetězec dřeva –
tj. úzkou spolupráci lesnictví, dřevozpracujícího průmyslu a stavebnictví.
Za podpory EU, státu, Generálního ředitelství Lesů ČR je v současnosti
v ČR realizován poměrně široký výzkum v oboru dřevostaveb. Tento
výzkum si klade za cíl nejen vyvíjet pokročilé materiály a výrobky na
bázi dřeva, ale i optimálně kombinovat ve stavbách dřevo s betonem,
zdivem, ocelí a sklem s cílem co nejlépe využít vlastnosti každého
z těchto materiálů. Železobetonové skelety s dřevěnými obvodovými
plášti či kompozitní dřevobetové stropy jsou v současnosti předmětem
největší pozornosti. České vysoké učení technické v Praze, které plní
funkci Centra technické normalizace v oboru stavebních konstrukcí, se
v současnosti i díky nově vzniklému Univerzitnímu centru energeticky
efektivních budov snaží maximálně přispět k procesu vytváření pod-
▲ Obr. 2. Zkušební dřevostavba s protipožárním oknem po požáru
▲ Obr. 3. Půdní prostor s lehkou střešní konstrukcí po požáru
mínek pro větší využití dřeva v českém stavebnictví. Dokladem toho
jsou i následující články přílohy časopisu Stavebnictví, které prezentují
i nutnost multidisciplinárního přístupu k řešení aktuální problematiky
současného stavebnictví. ■
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory projektu TE02000077 Inteligentní
regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj a podpory Evropské unie a projektu OP VaVpI
č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních
budov.
Autor:
doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.
ČVUT v Praze, Fakulta stavební a Univerzitní centrum energeticky
efektivních budov
5
dřevostavby
text Ing. Jan Pošta, Ph.D., doc. Dr. Ing. Jakub Dolejš, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. | grafické podklady archiv autorů
Využití radiometrie při vyšetřování
dřevěných zabudovaných prvků
Příspěvek se zabývá zjišťováním objemové
hmotnosti dřevěných prvků pomocí radiometrie. Objemová hmotnost je dobrým ukazatelem mechanických vlastností a slouží jako
vstupní parametr pro vyšetřování dřevěných
prvků akustickými metodami. Na několika sadách dřevěných vzorků byla měřena objemová
hmotnost pomocí radiometrie. Byl pozorován
velký vliv rozměrů průřezu prvku, naopak vliv
vlhkosti byl zanedbatelný. Pomocí statistiky
byla stanovena rovnice pro výpočet objemové
hmotnosti na základě měření radiometrií. Pro
porovnání se zkoumanou metodou radiometrie článek uvádí dvě nejběžněji používané
penetrační metody a jejich přesnost při měření objemové hmotnosti.
Metody vyšetřování dřeva
Při vyšetřování dřevěných historických konstrukcí se využívá především vizuálního hodnocení s pomocí jednoduchých nástrojů, jako
jsou kladívko či šroubovák. Pro zjištění fyzikálních či mechanických
vlastností dřeva je zapotřebí složitější postup. Využívá se převážně
penetračních a akustických metod. Z méně rozšířených metod lze
zmínit rentgen, termografii apod. Akustické metody dobře predikují
modul pružnosti a pevnost, ale k určení dynamického modulu pružnosti je nutné znát objemovou hmotnost prvku. U zabudovaných
dřevěných prvků se v současné době definuje objemová hmotnost
jen velmi obtížně. Lze použít penetrační metody, které se využívají
hlavně při hodnocení stavu (poškození) dřeva. Při měření těmito
metodami se fyzikální nebo mechanické vlastnosti zkoušených
prvků odvozují na základě měření odporu dřeva proti vniku trnů,
vrtáků či jehel nebo odporu proti vytržení např. vrutu ze dřeva.
Změřené veličiny nejlépe korelují právě s objemovou hmotností.
Tyto metody jsou často také nazývány mechanicko-odporovými
metodami. Vzhledem k tomu, že oproti penetračním metodám
je radiometrie čistě nedestruktivní, nabízí se jako vhodné řešení
při zjišťování objemové hmotnosti dřevěných prvků historických
konstrukcí.
Zarážení trnu
Pilodyn 6J je ruční přístroj vyvinutý ve Švýcarsku a slouží k semidestruktivnímu hodnocení dřeva. Umožňuje objektivní posouzení
rozsahu napadení dřeva dřevokaznými houbami, hmyzem nebo
hnilobou a s tím souvisejícím lokálním snížení jeho pevnosti.
Zvláště účinný je při lokalizaci poškozené části prvku, zejména
6
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 [1]. Regresní rovnici
pro stanovení pevnosti v ohybu konstrukčního smrkového dřeva
na základě znalosti hustoty stanovili Kuklík a spol. [22]. 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). Porovnáním hloubky vniku na různých místech
zkoušeného dřevěného prvku lze přesně vymezit jeho poškozenou oblast a objektivně kvantifikovat míru poškození. Kotlínová,
Kloiber a spol. [2] zkoumali závislost mezi hloubkou penetrace
a dynamickým modulem pružnosti u vzorků z borovice a kaštanu.
Došli k hodnotám koeficientu korelace 0,73 pro kaštan a 0,66 pro
borovici v radiálním směru. Se snižující se hloubkou penetrace
rostl modul pružnosti vzorku. Cavalli [3] zkoumal jedlové vzorky;
korelace mezi hloubkou penetrace a globálním modulem pružnosti
zjištěným podle EN 408 [4] byla velice vysoká (R = 0,88). Takto
vysoká závislost mezi hloubkou penetrace a modulem pružnosti
či pevností je spíše výjimkou. Hrivnák a spol. uvádějí ve své práci
[5] nejvyšší součinitel korelace 0,57 pro vztah s pevností v tlaku
rovnoběžně s vlákny na borovicových vzorcích. Bartůňková [6] zmiňuje koeficient korelace 0,62 mezi hloubkou penetrace a pevností
v tahu rovnoběžně s vlákny pro vzorky jírovce. Nejlepší výsledky
dosahuje přístroj při zjišťování hustoty prvku. Lokaj a Vavrušková
[7] našli součinitel korelace mezi hloubkou penetrace a hustotou
0,76 na smrkových vzorcích, Iñiguez-Gonzales a kol. [8] 0,65 na
vzorcích borovice a kaštanu, Arriaga a kol. [9] 0,54–0,78 pro vzorky
borovice a Kloiber [1] 0,55 pro vzorky smrku.
Odporové vrtání
Přístroj Resistograph pracuje na principu měření odporu při vrtání
do dřeva konstantní rychlostí. Poškození zkoumaných prvků je
vzhledem k průměru vrtáku malé. Výhodou oproti Pilodynu je
hloubková analýza prvku. Tato metoda se používá, podobně jako
další penetrační metody, hlavně při zjišťování stavu konstrukce
[10]. Výsledkem měření je grafický výstup, tzv. hustotní profil
(dendrogram). Vyšší hodnota odporu odpovídá vyšší hustotě, na
záznamu je dobře patrné střídání jarního a letního dřeva v letokruhu
a hlavně nulový odpor při vrtání v místě dutiny. Byla zkoumána
závislost mezi parametry grafického výstupu (délka křivky, plocha
pod křivkou atd.) a hustotou, modulem pružnosti či pevností v tlaku
podél vláken. Výsledky se velmi liší, nejvyššího koeficientu korelace
R dosahují parametry s hustotou (0,84–0,87) [11]. Obecně lze říci,
že závislosti mezi parametry dendrogramu a fyzikálními či mechanickými vlastnostmi dosahují středních hodnot (R = 0,63–0,81). To
potvrzuje i práce Bartůňkové [6], která uvádí koeficienty korelace
s pevnostmi a moduly pružnosti v tahu, tlaku i ohybu (0,28–0,65).
Calderoni a kol. [12] zkoumali závislost mezi odporem při podélném
vrtání a pevností v tlaku podél vláken na vzorcích smrku a kaštanu
(R = 0,76). Podobné výsledky udávají Hrivnák a spol. [5], kteří se
zabývali zkoumáním vzorků borovice, jedle a smrku – koeficient korelace R s mechanickými vlastnostmi se pohybuje od 0,37 do 0,64,
pro hustotu je to od 0,65 do 0,75. Hlavní nevýhodou odporového
vrtání je nutnost vrtání v radiálním směru z důvodu střídání jarního
a letního dřeva v letokruhu.
Radiografie
Vyšetřování konstrukcí pomocí rentgenového záření začalo
již ve čtyřicátých letech 20. století. Většímu rozšíření bránila
vysoká cena, hmotnost a velikost samotných přístrojů, které
nebylo možné převážet do historických objektů. V současnosti
se využívá fosforových desek, které dovolují okamžité vyvolání
obrazu a opakované použití. Radiografie se využívá při určování
místa a rozsahu poškození ve dřevě [13]. Pokročilou metodou
použití rentgenového záření je tzv. počítačová tomografie. Zdroj
záření i detektor se pohybují okolo zkoumaného prvku a umožňují
vytvoření prostorového obrazu objektu [14]. Podle intenzity zdroje
záření lze zkoumat dřevěné prvky v makroskopickém i mikroskopickém měřítku.
Radiometrie
Vedle radiografie přichází na řadu i přímé radiometrické měření
hustoty, kde odpadá mezikrok s vyvoláním fotografického filmu.
Radiometrické měření umožňuje kromě jiného stanovit okamžitou
hodnotu objemové hmotnosti a vlhkosti stavebních materiálů bez
jeho porušení [15], [16]. Používá se zpravidla tam, kde jsou měření
objemové hmotnosti a vlhkosti klasickými metodami (měřením
objemu a hmotnosti) pomalá nebo technicky neproveditelná. Radiometrie objemové hmotnosti je založena na principu průchodu
a zeslabení gama záření nebo na principu rozptylu gama záření
v měřeném materiálu.
Metoda průchodu a zeslabení gama záření
Při použití metody průchodu a zeslabení gama záření jsou zdroj
záření a detektor umístěny na protilehlých stranách vzorku. Výsledkem měření je průměrná objemová hmotnost materiálu mezi
zdrojem
záření exponenciální
a detektorem.
Vztah[17]:
mezi zářením a hustotou
Lambertova
rovnice
vyjadřuje Lambertova exponenciální rovnice [17]:
N = N 0 ⋅ e −µ mρt (1)
kde:
N četnost impulzů po průchodu materiálem [–];
N0 četnost impulzů nezeslabeného svazku záření [–];
μm hmotnostní součinitel zeslabení [m2 /kg];
t tloušťka vyšetřovaného materiálu [m];
ρ hustota vyšetřovaného materiálu [kg/m3].
Pro určení hustoty na základě zeslabení gama záření je nutné znát
hmotnostní součinitel zeslabení, který je závislý na intenzitě zdroje
záření a na složení měřeného vzorku. Dřevo obsahuje z 99 % uhlík,
kyslík, vodík a dusík. Mezi různými druhy dřeva se jejich vzájemný
poměr příliš neliší, tudíž je rozdíl v hmotnostním součiniteli mezi
různými druhy zanedbatelný [18], [19]. Ve studii [20] autoři zkoumají
rozdíl v hmotnostním součiniteli pro osm druhů dřeva a tři druhy
záření. Hustota se pohybuje od 418 kg/m3 do 789 kg/m3 a největší
rozdíl v hmotnostním součiniteli pro tři různé typy záření je 5,3 %.
Otázkou zůstává, jaký vliv má zvýšená vlhkost vzorku. Pokud se
vhodně zvolí zdroj záření, je hodnota součinitele zeslabení dřeva
a vody velmi podobná, nebo se liší jen do cca 10 %. Pokud se tedy
vlhkost zkoumaného vzorku nevymyká obvyklým hodnotám, může
se její vliv zanedbat [21].
Metoda rozptylu záření gama
Tato metoda se běžně využívá při určování objemové hmotnosti
čerstvých betonových směsí, zdiva či asfaltových vrstev vozovky.
Při použití metody rozptylu gama záření je mezi zdrojem záření
a detektorem stínicí vrstva, která brání přímému průchodu záření
ze zářiče do detektoru. Detektor zaznamenává pouze záření, které
bylo v materiálu rozptýleno převážně Comptonovým efektem. Tento
jev nastává, pokud energie fotonu gama záření je větší než vazební
energie obalového elektronu. Při tomto jevu se fotony chovají jako
pružné částice, které při srážce s obalovým elektronem ztratí část
své energie. Metodou rozptylu gama záření se měří objemová hmotnost materiálu v okolí detekční jednotky. Radiometrická povrchová
souprava se používá při měření v polokulové geometrii u materiálů,
u kterých nelze nebo je nežádoucí porušit jejich povrch. Tloušťka
měřené vrstvy je závislá na geometrickém uspořádání detekční
jednotky, na objemové hmotnosti materiálu a energii a aktivitě zářiče.
Dosahuje v průměru hodnoty 50–150 mm.
Experimenty a jejich výsledky
Pro experimenty byl zvolen princip rozptylu gama záření. K měření
byla použita povrchová radiometrická souprava, která je lehce přenosná a při měření se jednoduše přiloží na zkoumaný prvek, což je
pro měření in situ velmi výhodné. Na jedné straně soupravy je gama
zářič a na druhé straně detektor, zářič je odstíněn ochuzeným 238U.
Detektor zaznamenává záření, které bylo v materiálu rozptýleno převážně Comptonovým efektem [16]. Využívá se nejcitlivější dostupný
zářič Cesium 137 (137Cs). Měření probíhalo v Ústavu stavebního
zkušebnictví na VUT v Brně. Byla sledována četnost elektrických
impulzů, které odpovídají množství detekovaného záření za 1 minutu
a souvisí s objemovou hmotností materiálu.
Pro první zkoušky, které měly za cíl ukázat, zda je tato metoda pro
dřevo použitelná, byly připraveny vzorky ze dvou smrkových trámů
o průřezu 120/120 mm. První trám byl bez výrazných růstových
vad s mírným biotickým napadením. Druhý trám byl znehodnocen
výraznou podélnou trhlinou šířky až 10 mm. Byla sledována četnost
elektrických impulzů, které odpovídají množství detekovaného
(1)1 minutu a obecně závisejí na objemové hmotnosti mazáření za
teriálu. Deset vzorků bylo připraveno z bezvadého trámu a deset
vzorků z trámu s výsušnou trhlinou. Hodnota koeficientu korelace
R 0,82 pro bezvadé vzorky představuje poměrně dobrý výsledek
vzhledem ke struktuře dřeva, ale v tomto případě je spíše náhodná.
Pro vzorky získané na trámu s trhlinou je závislost mezi počtem
detekovaných impulzů a objemovou hmotností nulová. Negativní
vliv trhliny je ovšem zanedbatelný, radiometrická souprava byla přikládána z opačné strany vzorků a navíc vzduchová mezera obecně
měření radiometrií neovlivňuje. Při prvním experimentu se potvrdilo
očekávání, že takto minimální rozdíl mezi objemovou hmotností
smrkových trámků nelze spolehlivě zářičem 137Cs zachytit. Pro další
experimenty byly připraveny vzorky z více druhů dřevin s rozdílnými
objemovými hmotnostmi, kde by se menší citlivost používaného
zářiče 137Cs neměla projevit. Kromě smrku byly vybrány i dřeviny
listnaté s vyšší objemovou hmotností či dřeviny jehličnaté, které
se běžně ve stavebnictví nepoužívají (akát, dub, jasan, javor, lípa,
modřín). Průřezy většiny vzorků měly rozměry 45/120 mm, jen
vzorky modřínu měly průřez 60/120 mm. Zkoušky probíhaly v několika etapách od března 2011 do ledna 2012 v Ústavu stavebního
zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně. Měření bylo opět pomocí
7
▲ Obr. 2. Závislost počtu zachycených impulzů na objemové hmotnosti pro
sestavy o průřezech 120/180, 120/135, 120/90 a 120/45 mm
▲ Obr. 3. Závislost mezi výškou sestavy a počtem zachycených impulzů pro
jednotlivé druhy dřevin
▲ Obr. 1. Měření objemové hmotnosti dřeva radiometrickou povrchovou
soupravou
povrchové radiometrické soupravy se zářičem 137Cs (obr. 1). Aby byl
simulován co nejlépe reálný trám, byly vždy čtyři prvky o rozměrech
45/120 mm uloženy na sebe tak, že konečná sestava měla průřez
o nominálních rozměrech 180/120 mm (spáry výsledek zkoušky
neovlivňují). Dílčí sestavy měly rozměry 120/45 mm, 120/90
mm a 120/135 mm. Hodnota výsledné objemové hmotnosti byla
uvažována jako průměr ze všech prvků položených na sobě, objemová hmotnost sestav dosahovala hodnot mezi 539–771 kg/m3.
Hodnoty koeficientů korelace ukazují výraznou závislost mezi
počtem impulzů a objemovou hmotností dřeva (obr. 2). Je zřejmé,
že mezi hustotou a četností impulzů je nepřímá úměrnost, velmi
vysoké koeficienty korelace ukazují vysokou závislost.
Z dosavadních měření je zřejmé, že množství zachyceného záření je
závislé nejen na objemové hmotnosti měřeného vzorku, ale i na jeho
rozměrech. Z toho důvodu byl další postup zaměřen na prověření
vlivu výšky a šířky měřeného vzorku. Při hledání závislosti počtu
zachycených impulzů na výšce a šířce bylo měření prováděno na
vzorcích stejného druhu dřeviny, aby nebyly výsledky ovlivněny
rozdílnou objemovou hmotností. Pro zjištění vlivu výšky se použily
vzorky z pěti druhů dřevin (akát, dub, javor, modřín, lípa). Z vzorků o délce cca 450 mm a průřezu 45/120 mm (60/120 mm) byla
uložením na sebe vytvořena sestava šířky 120 mm a výšky podle
počtu použitých vzorků. Následně byl vždy spodní prvek odebrán
a tak byla výška měřené sestavy postupně snižována.
8
▲ Obr. 4. Závislost mezi šířkou sestavy a počtem zachycených impulzů pro
jednotlivé druhy dřevin
U závislosti počtu zachycených impulzů na výšce vzorku byla nalezena zřejmá přímá úměrnost mezi výškou a počtem zachycených
impulzů. Závislost opět nejlépe vystihuje lineární regrese (obr. 3).
Koeficienty korelace R dosahují poměrně vysokých hodnot (javor –
0,99, dub – 0,90, modřín – 0,95, lípa – 0,97).
Vliv změny šířky na počet impulzů se ověřoval na vzorcích javoru,
modřínu a lípy. Postupovalo se tak, že byly prvky kladeny na hranu
o šířce 45 či 60 mm vedle sebe, takže tvořily sestavu o výšce 120 mm
a šířce podle počtu vzorků jednotlivých druhů. Závislost počtu
N = N0 · e-µmρt
i šířka a druhá mocnina šířky. Celkový počet měření je 65 (13 průřezů x 5 dře
Lambertova exponenciální rovnice
[17]:
ρr,i = β0 + β1Ni + β2ši + β3ši2 + β4vi + β5wi + ei zachycených impulzů na šířce vzorku nejlépe popisuje polynomická
(2)
Lambertova exponenciální rovnice [17]:
regrese druhého stupně. Hodnota koeficientu korelace 1,0 pro všechny tři měřené dřeviny (javor, modřín a lípa) ukazuje velmi vysokou
kde:
N = N0 · e-µmρt
Po
dosazení
všech i-tého
naměřených
hodnot byl odvozen vztah pro výpoč
-µmρt
hmotnost
vzorku
závislost (obr. 4).
ρr,i objemová
N = N0 · e
1 zjištěná radiometrií [kg/m3];
hmotnosti:
Ni počet zachycených impulzů u i-tého vzorku [–];
Z předešlých experimentů je zřejmé, že počet zachycených impulzů
i-tého–vzorku
[mm];
ši šířka
povrchovou radiometrickou soupravou závisí zejména na objemové
N
ši2 měření
– 0,524jevi65
– 5,165
wi + ei x 5 dře
r,i = 5968
i – 6,049
i – 0,01145
iρšířka
a druhá1,154
mocnina
šířky. šCelkový
počet
(13 průřezů
vi výška i-tého vzorku [mm];
hmotnosti, šířce vzorku a výšce vzorku. K odvození vztahu pro
i šířka a druhá mocnina šířky. Celkový počet měření je 65 (13 průřezů x 5 dřevin).
[–]; 2
wi vlhkost
výpočet objemové hmotnosti pomocí radiometrie byly připraveny
+ β1Nvzorku
ρr,i = β0i-tého
i + β2ši + β3ši + β4vi + β5wi + ei
3
2 a dub).
náhodná
chyba
u i-tého
vzorku
[kg/m
].TABULKY 2
e
další vzorky ze čtyř druhů dřevinρ (smrk,
borovice,
modřín
POZOR,
3X
DOPLNĚNÍ
JEDNOTKY
DO ZÁHLAVÍ
2
r,i = β0 + β1Ni + β2ši + β3ši + β4vi + β5wi +i ei
Každý vzorek se měřil dvěma způsoby. Nejprve byla radiometrická
Odhad směrodatné Dolní mez Horní mez
Odhad
Nezávisle
odchylky
odhadu
Po dosazení
všechvšech
naměřených
hodnot
byl odvozen
pro výpočet
souprava přiložena na užší stranu vzorku a měřilo se po výšce vzorku.
Po dosazení
naměřených
hodnot
byl vztah
odvozen
vztah odhadu
pro výpo
parametru
odhadu
proměnná
hmotnosti:
parametru parametru
hmotnosti:
Následně byla souprava přiloženaPo
na širší
stranuvšech
vzorkunaměřených
a měřilo se pohodnotobjemové
dosazení
byl odvozen
vztah βpro
výpočet
objemové
1
parametru
hmotnosti:
šířce vzorku. Celkem proběhlo
měření na třinácti různých průřezech
2
2 ρr,i = 5968 – 1,154 Ni – 6,049 ši – 0,01145 ši – 0,524 vi – 5,165 wi + ei
(120/120, 120/140, 140/120, 120/160, 160/120, 120/180, 180/120,
ρr,i = 5968
– 1,154240/120
Ni – 6,049
ši –Pro
0,01145 ši – 0,524 vi – 5,165 wi + ei 3
(3)
120/200, 200/120, 120/220, 220/120,
120/240,
mm).
všech třináct průřezů byly sestaveny závislosti počtu zachycených
POZOR, 3X DOPLNĚNÍ JEDNOTKY DO ZÁHLAVÍ TABULKY 2
Koeficient determinace D dosahuje
hodnoty
0,98, což ukazuje, že
impulzů na objemové hmotnosti.
Závislosti nejlépe popisuje lineárOdhad
směrodatné
POZOR, 3X DOPLNĚNÍ JEDNOTKY DO ZÁHLAVÍ TABULKY 2
Odhad
Dolní mez Horní mez
Nezávisle
je
tento
vztah
vhodný
pro
výpočet
objemové
hmotnosti.
Vztah byl odhadu
ní regrese. Stejně jako u předešlých měření byla zjištěna nepřímá
Odhad směrodatné Dolní mez parametru
odhadu
Odhad
Horní mez odchylky odhadu
proměnná
Nezávisle
odvozen
na
vzorcích,
jejichž
výška
i šířka
se
pohybovala
v intervalu
úměrnost mezi objemovou hmotností
a počtem zachycených
impulβodhadu
parametru odparametru
parametru odchylky odhadu
odhadu
Statistika ti
1
parametru
proměnná
120
do
240
mm.
V tab.
2
jsou
uvedeny
odhady
směrodatné
odchylky
zů. Koeficienty korelace pro všech
třináct průřezů jsou
opět
velmi
β1
parametru parametru
parametru
odhadu parametru, horní a dolní mez odhadů parametru a statistiky
vysoké, pohybují se v intervalu od 0,97 do 1,00 (tab. 1).
parametrů.
I při těchto měřeních byla sledována závislost počtu impulzů na
95% horní kvantil rozdělení o 59 stupních volnosti t0,025 má hodnotu
změně výšky a šířky vzorku pro každý druh dřeviny zvlášť. Pro každý
2,001. Hodnota statistiky ti pro všechny parametry je větší než horní
druh dřeviny byly vytvořeny dva grafy. Závislost zachycených impulzů
kvantil, což znamená, že ρr,i závisí na všech vysvětlujících proměnných.
na změně výšky pro sedm průřezů (120/120, 120/140, 120/160, …,
Průměrná náhodná chyba pro všech 65 měření je ± 62,7 kg/m3.
120/240 mm), kde byla zachována stálá šířka přibližně 120 mm
Podle publikované literatury [21] by neměla mít vlhkost vzorku zásadní
a výška byla odstupňována cca po 20 mm, a závislost počtu impulzů
vliv na měření pomocí radiometrie. Hodnota statistiky pro parametr
na změně šířky pro sedm průřezů (120/120, 140/120, 160/120, …,
vlhkost je vyšší než 95% horní kvantil rozdělení (tab. 2), což znamená,
240/120 mm). V druhém případě byla stálá výška průřezu přibližně
že proměnná ρr,i závisí i na tomto parametru. Ovšem nízká hodnota
120 mm a šířka byla zvyšována opět cca po 20 mm. Závislost mezi
statistiky ukazuje na nízkou závislost, navíc vlhkost některých vzorků
výškou vzorku a počtem zachycených impulzů je velmi vysoká
dosahovala až 35,2 %. Takto vysoký stupeň vlhkosti už má vliv na souu smrku (R = 0,98), borovice (R = 0,99) a modřínu (R = 0,98). U dubu
činitel zeslabení, a tedy i měření radiometrickou metodou.
(R = 0,37) výrazná závislost nebyla nalezena. Závislost počtu impulzů na šířce vzorku je velmi vysoká pro všechny čtyři druhy dřevin.
Koeficient korelace R dosahuje shodně hodnoty 0,99 pro smrk,
borovici, modřín i pro dub.
Závěr
Výsledky experimentů byly dále využity pro odvození vztahu pro
Zjišťování objemové hmotnosti pomocí radiometrie se ukázalo jako
výpočet objemové hmotnosti na základě měření radiometrií. Tento
reálné. Na mnoha měřeních byl prokázán silný vztah mezi objemovou
vztah byl odvozen pomocí lineární regrese s více proměnnými. Počet
hmotností dřevěných vzorků a rozptylem gama záření. Koeficienty
měřených vzorků je dále označován n, počet vysvětlujících proměnkorelace R dosahovaly hodnot 0,94–1,00. Největším problémem při
ných k. Vysvětlujícími proměnnými jsou počet zachycených impulzů,
tomto postupu se ukázal rozměr vzorků: šířka i výška mají významný
výška vzorku, vlhkost vzorku a vzhledem k charakteru závislosti počtu
vliv na množství zachyceného záření. Na základě provedených expezachycených impulzů na šířce vzorku i šířka a druhá mocnina šířky.
rimentů byly popsány závislosti mezi změnou výšky či šířky prvku
Celkový počet měření je 65 (13 průřezů x 5 dřevin).
Průřez
Koeficient korelace
Průřez
Koeficient korelace
120/120
0,99
–
–
120/140
0,99
120/200
0,99
140/120
1,00
200/120
0,99
120/160
0,99
120/220
0,98
160/120
1,00
220/120
0,99
120/180
0,98
120/240
0,97
180/120
0,99
240/120
0,98
▲ Tab. 1. Koeficienty korelace mezi zachycenými impulzy a objemovou hmotností
Nezávisle proměnná
Konstanta [–]
Počet impulzů [–]
Šířka [mm]
Šířka^2 [mm2]
Výška [mm]
Vlhkost [%]
Odhad
parametru βi
Odhad směrodatné odchylky odhadu parametru sβi
Dolní mez odhadu parametru
Horní mez odhadu
parametru
Statistika ti
5968,00000
–1,15400
–6,04900
0,01145
0,52400
5,16500
477,00000
0,09200
1,26900
0,00343
0,12700
1,58500
5013,00000
–1,33800
–8,58800
0,00458
0,27000
1,99400
6923,00000
–0,97000
–3,51000
0,01832
0,77800
8,33600
12,510
12,544
4,767
3,334
4,134
3,260
▲ Tab. 2. Přehled statistických veličin
9
a množstvím zachycených impulzů. Dále bylo prokázáno, že vliv vlhkosti
je zanedbatelný. Tyto poznatky byly zahrnuty do výsledného vztahu pro
výpočet objemové hmotnosti dřeva pomocí radiometrie (3). Koeficient
determinace D pro tento vztah dosahuje hodnoty 0,98, což dokazuje,
že je vhodný pro výpočet objemové hmotnosti.
Při porovnání metod pro zjišťování objemové hmotnosti lze obecně
říci, že výhodou radiometrie oproti penetračním metodám je její ryze
nedestruktivní charakter a fakt, že neměří pouze lokálně. Korelace
naměřených hodnot s objemovou hmotností je výrazně vyšší než
u penetračních metod. Nevýhodou radiometrie je nezbytnost nové
kalibrace pro každý typ použitého zářiče a velký vliv rozměrů zkoumaného prvku na výsledek. V případě experimentů popsaných v této
práci byl použit zářič 137Cs, který představoval nejslabší zářič, jenž byl
k dispozici. Lze předpokládat, že při použití slabšího zářiče s větší
citlivostí by bylo dosaženo ještě lepších výsledků při určování objemové hmotnosti. I tak bylo ovšem bezesporu prokázáno, že metoda
radiometrie je schopna najít uplatnění při nedestruktivním vyšetřování
dřevěných zabudovaných prvků. ■
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP
VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky
efektivních budov.
Použitá literatura:
[1]Kloiber, M.: Nedestruktivní zjišťování vlastností dřeva. Brno,
2008. Dizertační práce. Mendlova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta.
[2] Kotlínová, M.; Kloiber, M.; Vasconcelos, G.; Lourenco, P.B.;
Branco, J.: Comparison of Nondestructive and Semi-Destructive Methods Used on Two Types of Wood. In: In-situ
Evaluation and Non-destructive Testing of Historic Wood and
Mansory Structures. Česká republika, 2006, s. 66–77. ISBN
978-80-86246-36-9.
[3] Cavalli, A.; Togni, M.: Combining NDT and Visual Strength
Grading to Assess Ancient Timber Beams Stiffness to Evaluate Strengthening Interventions Suitability. In: Proceedings of
the 17th International Nondestructive Testing and Evaluation
of Wood Symposium. Sopron, 2011, sv. 2, s. 593–601. ISBN
978-963-9883-83-3.
[4] ČSN EN 408+A1. Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo
a lepené lamelové dřevo – Stanovení některých fyzikálních
a mechanických vlastností. Praha: ÚNMZ, 2012. Třídicí znak
731741.
[5] Hrivnák, J.; Kloiber, M.; Reinprecht, L.; Tippner, J.: Skúmanie
kvality a poškodenia ihličnatého dreva akustickými a mechanicko-odporovými metodami. Zvolen (Slovensko), 2013. ISBN
978-80-228-2552-8.
[6] Bartůňková, E.: Non-destructive Tests and Degradation Assessment of Old Chestnut Timber. Portugalsko, 2011. Diplomová
práce. University of Minho.
[7] Lokaj, A.; Vavrušková, K.: Fyzikální vlastnosti rostlého dřeva
získané nedestruktivním zkoušením. Ostrava, 2006. Centre for
Integrated Design of Advanced Structures, VŠB – TU Ostrava.
[8] Iñiguez-Gonzalez, G.; Llana, D. F.; Montero, M. J.; Hermoso,
E.; Esteban, M.; García de Ceca, J. L.; Bobadilla, I.; Mateo, R.;
Arriaga, F.: Preliminary Results of a Structural Timber Grading
Procedure in Spain Based on Nondestructive Techniques. In:
Proceedings 18th International Nondestructive Testing and
Evaluation of Wood Symposium. Madison: United States
Department of Agriculture, Forest Service, Forest Product
Laboratory, 2013, s. 386–395.
10
[9] Arriaga, F.; Esteban, M.; Iñiguez-Gonzalez, G.; Bobadilla, I.; Llana,
D. F.; Gonzalez-Sanz, M.: Structural Assessment of the Timber
Structure of the Casa Grande Building in the Real Cortijo de San
Isidro, Arajuez, Madrid (Spain). In: Proceedings 18th International
Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium. Madison: United States Department of Agriculture, Forest Service,
Forest Product Laboratory, 2013, s. 233–244.
[10] Ross, R. J.; Brashaw, B. K.; Wang, X.: Structural Condition
Assessment of In-service Wood. Forest Products Jurnal. 2006,
roč. 56, č. 6, s. 4–8. ISSN 0015-7473.
[11] Drdácký, M.; Kloiber, M.; Kotlínová, M.: 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.
[12] Calderoni, C.; De Matteis, G.; Giubileo, C.; Mazzolani, F. M.:
Experimental Correlations between Destructive and Non-destructive Tests on Ancient Timber Elements. Engineering
Structures. 2010, roč. 32, č. 2, s. 442–448. ISSN 0141-0296.
[13] Drdácký, M.; Kloiber, M.: Non-destructive Survey of Historic
Timber. In: In-situ Evaluation and Non-destructive Testing Of
Historic Wood And Mansory Structures. Česká republika, 2006,
s. 8–23. ISBN 978-80-86246-36-9.
[14] Mannes, D.; Lahmann, E.; Niemz, P: Tomographic Investigation
of Wood from Macroscopic to Microscopic Scale. In: Proceedings of the 15th International Symposium on Nondestructive
Testing of Wood. Duluth (Minnesota), 2007, s. 17–23. ISBN
978-1-892529-52-7.
[15] Hobst, L.; Adámek, J.; Cikrle, P.; Schmid, P.: Diagnostika stavebních konstrukcí. Brno, 2005. Učební skripta. Vysoké učení
technické v Brně, Fakulta stavební.
[16] Hobst, L.: Zkušebnictví a technologie – Radiační defektoskopie.
Brno, 2001. Učební skripta. Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební.
[17]Markku, T.: Nondestructive Methods for Characterisation Wood.
Kuopio (Finland), 2006. Dizertační práce. University of Kuopio,
Department of Physics. ISBN 951-27-0455-2.
[18] Laufenberg, T. L.: Using Gamma Radiation to Measure Density
Gradients in Reconstituted Wood Products. Forest Products
Jurnal. 1986, roč. 36, č. 2, s. 59–62. ISSN 0015-7473.
[19] Mannes, D.; Lehmann, E.; Cherubini, P.; Niemz, P.: Neutron
Imaging Versus Standard X-ray Densitometry as Method to
Measure Tree-ring Wood Density. Trees–Structure and function. 2007, roč. 21, č. 6, s. 605–612. ISSN 0931-1890.
[20] Macedo, A., Vaz, C. M. P.; Pereira, J. C. D.; Naime, J. M.;
Cruvinel, P. E.; Crestana, S.: Wood Density Determination by
X- and Gamma-Ray Tomography. Holzforschung. 2002, roč.
56, č. 5, s. 535–540. ISSN 0018-3830.
[21] Cai, Z.: A New Method of Determining Moisture Gradient in
Wood. Forest Products Jurnal. 2008, roč. 58, č. 7/8, s. 41–45.
ISSN 0015-7473.
[22] Kuklík, P.; Kuklíková, A.; Gregorová, A.: Metody pro nedestruktivní vyšetřování vlastností konstrukčního dřeva. Časopis
Stavebnictví 01-02/15, s. 10–11, ISSN 1802-2030.
Autoři:
Ing. Jan Pošta, Ph.D. , doc. Dr. Ing. Jakub Dolejš, doc. Ing. Petr
Kuklík, CSc.
ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov
Odborné posouzení:
doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D.
VŠB – TU Ostrava, Fakulta Stavební
dřevostavby
text Ing. Aleš Vodička, Ing. Pavel Mlejnek, Ph.D., Bc. Marek Maška, Ing. Jan Včelák, Ph.D. | grafické podklady archiv autorů
Systém Moisture Guard pro
kontinuální monitoring vlhkosti
Dřevo se pro své vlastnosti stalo velmi populárním stavebním materiálem a tak podíl počtu
dřevostaveb v celkovém počtu novostaveb rok
od roku stále roste. Dřevo má však kromě svých
pozitivních vlastností i svá rizika, mezi která patří
i často opomíjená vlhkost. Zvýšená vlhkost velmi
výrazně ovlivňuje životnost stavby a její zákeřnost spočívá v nemožnosti odhalit ji včas.
Skryté úniky menších rozsahů z vodovodních instalací, odpadů, otopných
systémů aj. nejsou po dlouhou dobu patrné. Když už se vizuálně projeví,
bývá většinou příliš pozdě. Rekonstrukce je pak velmi nákladná. Z tohoto
důvodu je důležité monitorovat vlhkost uvnitř konstrukce kontinuálně.
Článek popisuje systém senzorů vlhkosti ve dřevě Moisture Guard, který
byl vyvinut v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT
v Praze. Účelem systému je kontinuálně monitorovat stav vlhkosti dřevěné konstrukce budovy a v případě zjištění nepřirozeného nárůstu této
vlhkosti informovat uživatele o možném úniku kapaliny. Systém je určen
pro zabudování během výstavby na předem vytipovaná kritická místa
(koupelny, toalety, kuchyně, technické místnosti a další), kde může docházet k únikům kapalin. Systém se skládá z jedné centrální vyhodnocovací
jednotky a několika (cca deseti) jednotlivých senzorů spojených komunikační a napájecí sběrnicí. Díky znalosti umístění jednotlivých senzorů je
systém schopen také přibližně lokalizovat místo úniku.
■ Základní technické údaje:
– měření: hmotnostní vlhkost dřeva, relativní vlhkost vzduchu, teplota;
– napájení: 5 až 16 V DC, < 3 mA při 5 V;
– pracovní rozsah: −40 až +85 °C, 0 až 80 % RH (nekondenzující);
– komunikační rozhraní: RS-485 & Modbus RTU (konfigurovatelné);
– montáž: 2 nerezové vruty (slouží zároveň jako měřicí elektrody);
– rozměry: 42 × 28 × 18 mm;
– měření odporu: rozsah 0 až 50 GΩ, rozlišení: 2 kΩ;
–m
ěření hmotnostní vlhkosti:
rozsah 7 až 30 % (závislé na materiálu),
rozlišení 0,01 %,
přesnost ±2 %;
–m
ěření vzdušné vlhkosti:
rozsah 0 až 100 % RH,
rozlišení 0,04 % RH,
přesnost ±2 % RH (typicky);
–m
ěření teploty:
rozsah −20 až 80 °C,
rozlišení 0,01 °C,
přesnost ±0,3 °C.
Doplňkový senzor HT01485
Tento senzor HT01485 měří relativní vzdušnou vlhkost a teplotu
v místech, kde není vyžadováno monitorování vlhkosti masivního
materiálu. Tento senzor se používá mimo jiné pro monitorování
podmínek v interiéru a exteriéru, což je důležité pro správnou funkčnost detekčního algoritmu a poruch. Senzor se dodává s kabelem
v potřebné délce.
Kombinovaný senzor MHT02485
Tento kombinovaný senzor měří absolutní vlhkost masivního materiálu (dřeva),
relativní vlhkost navazujícího izolačního materiálu a teplotu. Senzor se skládá
z krabičky o dvou dílech, osazené desky plošného spoje a dvou upevňovacích nerezových vrutů, které slouží zároveň jako měřicí elektrody. Senzor se
montuje na kabel a umožňuje průběžnou montáž. Tento senzor se umísťuje
nejčastěji do zakládacích trámků dřevostavby, kde monitoruje vlhkost trámku,
vzdušnou vlhkost izolačního materiálu a teplotu tohoto rozhraní.
■ Základní technické údaje:
– měření: relativní vlhkost vzduchu, teplota;
– napájení: 5 až 16 V DC, < 3 mA při 5 V;
– pracovní rozsah: −40 až +85 °C, 0 až 80 % RH (nekondenzující);
– komunikační rozhraní: RS-485 & Modbus RTU (konfigurovatelné);
– montáž: volná nebo přidělání vrutem;
– rozměry: 60 × 10 × 7 mm;
– měření vzdušné vlhkosti:
rozsah 0 až 100 % RH,
rozlišení 0,04 % RH,
přesnost ±2 % RH (typicky);
–m
ěření teploty:
rozsah −20 až 80 °C,
rozlišení 0,01 °C,
přesnost ±0,3 °C.
▼ Obr. 1. Ukázka instalace senzorů – kombinovaný senzor (vlevo), doplňkový
senzor (vpravo)
▼ Obr. 2. Centrální jednotky MGCU_03 (vlevo) a MGCU_04 (vpravo)
Senzory
Senzory jsou klíčové pro funkčnost celého systému. Na základě hodnot
jimi měřených veličin a jejich vývoje v čase je systém schopen detekovat
případné havárie. Systém využívá dva základní druhy senzorů – kombinovaný senzor vlhkosti vázané ve dřevě a doplňkový senzor vzdušné vlhkosti.
stavebnictví 01–02/16 11
Centrální jednotka
Systém může být vybaven několika
typy centrálních jednotek lišících se
doplňkovými funkcemi a cenou.
Všechny jednotky jsou vybaveny
akustickou i optickou signalizací
a relé pro připojení do nadřazeného
systému (např. domácí zabezpečo▲ Obr. 3. Ukázka z webové aplikace
vací stanice) nebo pro automatické
odpojení přívodu vody. Dále mohou být vybaveny LCD displejem pro
zobrazení aktuálních hodnot, USB portem pro konfiguraci a vyčítání stavu přes počítač, MicroSD paměťovou kartou pro dlouhodobé ukládání
dat, LAN portem pro připojení do sítě internet a vzdálenou správu přes
webové rozhraní aj. Všechny jednotky obsahují sofistikovaný detekční
algoritmus pro vyhodnocení jak vzdušné vlhkosti, tak i hmotnostní vlhkosti.
Sběr dat a jejich prezentace přes web
Pokud je centrální jednotka vybavena LAN rozhraním a je připojena do
internetové sítě, lze na vzdáleném serveru sbírat data a ukládat je do
databáze. Tato data je možné následně přehledně zobrazit ve webovém
prohlížeči a z libovolného místa s připojením na internet zkontrolovat stav
budovy včetně její historie.
Kabeláž
Senzory komunikují s centrální jednotkou po digitální průmyslové
sběrnici RS-485 s komunikačním protokolem Modbus RTU. To umožňuje na jednu sběrnici připojit až 32 senzorů. Velká rozšířenost tohoto
komunikačního standardu umožňuje použití senzorového systému
s průmyslovými řídicími kontroléry většiny výrobců. Propojení se provádí
čtyřvodičovým krouceným kabelem, který obsahuje dva vodiče pro
napájení a dva vodiče pro komunikaci.
Rozmístění senzorů v budově
Předpokladem funkčnosti celého systému je správné rozmístění senzorů
v monitorované budově. Senzory se umísťují do kritických míst s nejvyšším rizikem úniku kapalin, do míst ohrožených zatékáním z okolního terénu, případně do míst, kde hrozí kondenzace vodních par. Typicky jsou to
tedy koupelny (toaleta, sprchový kout, vana, umyvadlo, pračka), kuchyně
(dřez, myčka), technické místnosti (boiler, kotel), stěny přilehlé terénním
vyvýšeninám apod. Dalšími potenciálně nebezpečnými místy mohou být
půdní prostory, kde hrozí kondenzace vodních par či zatékání střechou.
Pro funkčnost detekčního algoritmu centrální jednotky je nezbytné mít
v systému instalovaný senzor vzdušné vlhkosti snímající vlhkost venkovního prostředí a interiéru.
Vyhodnocování dat
Algoritmus detekce havárie je velmi komplexní a je založen na několika
metodách. První z nich je absolutní hodnota vlhkosti. To znamená, že
pokud úroveň vlhkosti v materiálu překročí definovanou úroveň, vyhodnotí se situace jako havárie. Další z vyhodnocovacích metod je časová
změna vlhkosti v materiálu a relativní vzdušné vlhkosti. Tento způsob
vyhodnocení potlačuje vliv pomalých změn vlhkostí v důsledku změn
okolních klimatických podmínek. To znamená, že pokud dojde k rychlému nárůstu vlhkosti, je tato situace detekována jako havárie. Dalším
způsobem detekce havárie, respektive přítomnosti zvýšené vlhkosti, je
určování trendů změn vlhkosti a teploty a jejich vzájemné porovnávání.
Tento princip je založený na fyzice kapalin a plynů a jejich chování při
různých teplotách.
Díky znalosti stavu jednotlivých senzorů včetně jejich umístění lze
přibližně lokalizovat místo havárie. Zkoumáním změn vlhkosti nejen
v rámci jednoho senzoru, ale komplexně mezi všemi senzory může
být závada odhalena i v místě, kde žádný senzor fyzicky umístěn není.
12 stavebnictví 01–02/16
Závěr
Cílem článku je seznámit čtenáře s vyvinutým systémem monitoringu
vlhkosti v dřevostavbách Moisture Guard, který byl vyvinut na ČVUT –
UCEEB – projekt Evropské unie OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091.
V rámci výzkumu byl vytvořen autonomní systém skládající se ze sady
(cca deseti) kombinovaných senzorů vlhkosti a centrální vyhodnocovací
jednotky. Každý senzor je schopen měřit teplotu, vzdušnou vlhkost
a vlhkost vázanou ve dřevě v několika kritických místech budovy. Díky
dlouhodobému měření a ukládání historických dat je centrální jednotka
schopna odhalit i velmi malé úniky kapaliny, které by pravděpodobně
zůstaly velmi dlouho skryty. Ze znalosti umístění senzorů v rámci budovy
může řídicí jednotka také částečně lokalizovat polohu nastalé havárie
a včas na ni správce budovy upozornit. ■
[1]James W. L.: Electric Moisture Meters for Wood, 1988, United
States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products
Laboratory, General Technical Report FPL-GTR-6. Dostupné z: www.
fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr06.pdf.
[2] Duff J. E.: A Probe for Accurate Determination of Moisture Content of
Wood Products in Use, 1966, U.S. Forrest Service Research Note FPL0142. Dostupné z: www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn0142.pdf.
[3] Wood Handbook – Wood as an Engineering Material, 2010, U.S.
Forrest Service, General Technical Report FPL-GTR-190. Dostupné
z: www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf.
[4] Makovíny I.: Meranie vlhkosti dreva, Zvolen: Matcentrum, 1995, ISBN
80-967315-0-5.
[5]Onysko, D.; Schumacher, Ch.; Garrahan, P.: Field Measurements
of Moisture in Building Materials and Assemblies: Pitfalls and Error
Assessment, DMO Associates, Building Science Corporation,
FPInnovations, Forintek Division, 2008. Dostupné z: c.ymcdn.com/
sites/www.nibs.org/resource/resmgr/BEST/BEST1_M2-5.pdf
Autoři:
Ing. Aleš Vodička, Ing. Pavel Mlejnek, Ph.D., Bc. Marek Maška
Ing. Jan Včelák, Ph.D.
JAKÉ BUDOU STAVEBNÍ VELETRHY BRNO
A VELETRH MOBITEX?
VĚTŠÍ A LEPŠÍ!
Meziroční
nárůst
Návrat firem,
které se na veletrhu
v posledních
dvou letech
neprezentovaly
počtu přihlášených
k datu o 28�%
Téměř 45 000
návštěvníků
s aktivním zájmem
z celé ČR a zahraničí
Inženýrský den ČKAIT
& ČSSI – zahajovací
konference na téma
Voda – sucho
MOBITEX přinese
konferenci na téma
Více než atraktivní
cenové podmínky –
Historické
interiéry
pro 3. tisíciletí
kompletní účast
od 18 500 Kč/4 dny
Dřevo
a stavby
Brno
20.–23. 4. 2016
Brno–Výstaviště
www.bvv.cz/svb
www.bvv.cz/mobitex
Hlavní mediální partner
Mezinárodní
veletrh nábytku
a interiérového
designu
VIDĚT
STAVĚT
(ZA)ŽÍT
Při srovnání s ostatními možnostmi
prezentace je veletrh o:
•
téměř 45 000 návštěvnících
– potenciálních klientech během 4 dnů konání;
•
aktivitě návštěvníků – mají zájem,
sami aktivně vyhledávají informace;
•
živé a bezprostřední
komunikaci s návštěvníky;
zážitcích – zapíšete se tak více do paměti;
nových kontaktech a zajímavých informacích;
publicitě, kterou svojí účastí můžete získat.
•
•
•
Lákavý doprovodný program
pro návštěvníky
Odborníky nadchne:
• Inženýrský den ČKAIT & ČSSI;
• zahajovací konference na téma Voda – sucho;
• historické interiéry pro 3. tisíciletí;
• seminář BIM v praxi;
• nové materiály a technologie ve stavebnictví;
• prezentace významných regionálních
developerů pod patronací SPS v Jihomoravském kraji.
Širší veřejnost nalákají:
• novinky Vás, vystavovatelů;
• možnosti dotací na rekonstrukci
bydlení a tzv. kotlíkové dotace;
•
•
•
•
pitná voda pro rodinné domy, byty a zahrady;
Jak správně zvolit vhodné osvětlení v pavilonu M;
ukázky různých druhů zahrad;
bezplatné odborné poradenství.
Vyberte si svoje místo v pavilonu P nebo F
Neváhejte a přihlaste se co nejdříve – dřívější
přihlášení na veletrh tedy přináší větší možnost
výběru plochy, od které se odvíjí také její cena!
VSTUPNÍ PROSTOR
Pavilon P
Pavilon Z
Pavilon F
Legenda:
Zóna A
Zóna B
Zóna C
Zóna VP
2 070 Kč/m2*
1 725 Kč/m2
1 380 Kč/m2
1 035 Kč/m2
*) Za podmínky minimální plochy 50 m2.
Uvedené ceny jsou platné pro rok 2016 a jsou bez DPH.
Přesná specifikace a umístění zón bude součástí přihláškové dokumentace.
Pavilon P – 10 000 metrů výstavní plochy,
dříve využívané haly V a F
V roce 2010 stál m2 výstavní
plochy 3 190 Kč, v roce 2016
je cena od 1 380 Kč!
Stále ještě váháte s účastí? Podívejte se na několik názorů
tradičních vystavovatelů a výsledky minulého ročníku!
Ing. Pavel Křeček, předseda ČKAIT
Ve stavebním sektoru je po mnoha letech patrný mírný
optimismus, jsem velmi rád, že se tato situace promítla
i do letošního stavebního veletrhu IBF. Stavební veletrh
v Brně byl a je místem, kde firmy představovaly své
novinky, technická i technologická zlepšení. Nejinak
tomu bylo i v letošním roce. Věřím, že rok 2015 se stal
bodem obratu k lepšímu.
Helena Prokopová,
cechmistr, Cech čalouníků a dekoratérů
Mobitex byl letos velmi pěkný a ucelený, doprovodné
výstavy pak jeho úroveň ještě pozvedly, stejně jako
ojedinělý systém přednášek v rámci doprovodného
programu. Na veletrh přicházejí lidé, kteří hledají kvalitu
a chtějí se o výrobku co nejvíce dozvědět.
Eva Dutková, ABB s.r.o., Elektro-Praha
Na veletrh IBF jezdíme velice rádi, jsme pravidelnými
vystavovateli. Letos opět přišlo jak hodně koncových
zákazníků, tak jsme měli i spoustu obchodních schůzek,
firma byla spokojena, návštěvnost byla velmi dobrá.
René Švancer, HELUZ cihlářský průmysl
Do Brna musíme jezdit, neboť dáváme klientům i konkurenci
ve známost, že existujeme a prosperujeme, Stavební veletrh
je pro nás prestižní akcí, můžeme zde rozšiřovat povědomí
lidí o nových materiálech, což je pro firmu velmi důležité.
Zdeněk Hendrich,
Jaroslav Cankař a syn Atmos
Milan Chalcař,
RD Rýmařov – středisko KASARD
Přišlo k nám dostatek zákazníků, navázali jsme řadu nových
kontaktů. Firma byla se svou účastí na letošním ročníku
stavebních veletrhů spokojena. Zdá se, že lidé už začali
znovu stavět a rekonstruovat své bydlení.
Michal Šopík, VESPER FRAMES
Veletrh IBF je pro naši firmu vždy přínosem. Byli jsme tu již
posedmé a nikdy se nestalo, že bychom neměli dostatek
zájemců. Chodí koneční klienti, architekti a další zájemci
o vystavené produkty.
Jaroslav Frantál, Böhm – český nábytek
Na veletrhu v Brně nesmíme chybět, neboť nás nenavštěvují
pouze noví klienti, ale vrací se k nám staří zákazníci.
Zveme si také naše partnery, výstaviště je vynikající
místo k obchodním schůzkám.
Tomáš Jelínek,
JELÍNEK – výroba nábytku
Veletrhu MOBITEX se účastníme každý rok, jsme tradičními
vystavovateli. Vždy tu navážeme řadu nových kontaktů.
Letos jsme uzavřeli mnoho objednávek přímo
na vystavené výrobky.
René Cígler, Kuchyňské studio Schmidt
Do naší expozice přišlo dostatek návštěvníků nejen
z Brna a okolí, ale z celé republiky. Jsme stálými
vystavovateli a zatím se nikdy nestalo, aby se nám
tato akce ekonomicky nevyplatila.
Letošní veletrh IBF splnil cíl firmy, předali jsme své
informace řadě zákazníků, což jsou především odborné
topenářské firmy. Na tomto veletrhu jsme vůbec neměli
nouzi o zákazníky, jsme spokojeni, neboť v expozici
bylo stále plno a o to právě firmě šlo.
OHLÉDNUTÍ za Stavebními veletrhy Brno
a veletrhem MOBITEX 2015*
Potřebujete doplnit
další informace?
Neváhejte, jsme tu pro Vás!
Ředitel veletrhů
Ing. Radim Tichý
541 152 888
[email protected]
Počet firem
769 z 20 zemí světa
Čistá výstavní plocha
19 630 m
Počet návštěvníků
44 318 návštěvníků z 30 zemí světa
2
* Společná statistická data Stavebních veletrhů Brno
a souběžně konaných veletrhů DSB – Dřevo a stavby Brno,
MOBITEX a Veletrh Ptáček.
Stavební veletrhy Brno
Jitka Bendová
541 152 546, [email protected]
veletrh MOBITEX
René Jurčík
Simona Křečková
Více informací naleznete na www.bvv.cz/svb
dřevostavby
text Ing. Richard Zelený a kolektiv autorů | grafické podklady archiv autorů
Optovláknové senzory jako nový způsob
monitorování a diagnostiky dřevostaveb
Článek se zabývá systémem optovláknových
senzorů pro monitorování a diagnostiku mechanického namáhání nosníků z lepeného lamelového dřeva. Správná funkce navrženého systému byla ověřena pomocí mechanických zkoušek
vzorků dřevěných nosníků s optovláknovými
senzory vlepenými mezi jednotlivé dřevěné lamely. Zkoumané vzorky vykazují malou relativní
chybu a umožňují kompenzovat okolní environmentální vlivy na měřené veličiny. Navržený
systém slibuje budoucí použití v dřevostavbách,
kde na základě měření umožní automatické
varování obsluhy v případě přetížení nosné
konstrukce.
Úvod
Dřevostavby jsou v současné době velmi populární pro jejich energetickou
úspornost, rychlou výstavbu a přijatelnou cenu, jsou však více náchylné
na změny environmentálních parametrů než klasické stavby z oceli, cihel
nebo betonu. Například dřevěný lepený nosník může být navržen v prostředí, kde relativní vlhkost vzduchu přesahuje 85 % pouze několik dní
v roce [1]. Při překročení této hodnoty může dojít ke snížení jeho pevnosti,
napadení materiálu dřevokaznými houbami či škůdci a v krajním případě
i k jeho destrukci. U lepených dřevěných nosníků navíc může docházet
k delaminaci a následnému snížení únosnosti konstrukce. Nejedná se
pouze o přírodní vlivy, které mohou způsobit poškození dřevěné konstrukce, což může vést až ke katastrofálním následkům, ale také například
o neodborně provedené zásahy, jakými může být např. zavěšení dalších
stavebních prvků na již zhotovenou konstrukci.
To otevírá nový prostor pro monitorování a diagnostiku celé konstrukce
nebo alespoň prvků, které jsou nejvíce namáhány. Klíčové je to zejména
při výstavbě velkých hal, jejichž dřevěná konstrukce je vystavena vysoké
vzdušné vlhkosti, jako v případě zimních nebo plaveckých stadionů, dále
pak u konstrukcí plochých střech, u nichž může velká vrstva napadaného
sněhu způsobit náhlé přetížení některého z nosných prvků.
Monitorovat takovou konstrukci lze pomocí optických nebo elektrických
odporových senzorů zabudovaných vně nebo fixovaných na povrchu
nosných částí. Vložením optických senzorů do lepené dřevěné struktury a jejich ochranou před poškozením se zabývá J. Wacker a kol. [2].
T. H. Jang a kol. [3] využili naproti tomu elektrické senzory nalepené na
dřevěné lamely pro vyhodnocení modulu pružnosti lamel japonského
cedru.
Na základě předpokládaného zatížení a materiálových charakteristik
použitého řeziva je pro monitorované konstrukce možné analyticky stanovit limitní hodnoty poměrného přetvoření. Pokud systém zaznamená
překročení těchto hodnot, je automaticky zalarmována obsluha, jež
provede kontrolu a případnou nápravu. Naměřené hodnoty mohou být
dále použity pro predikci životnosti celé stavby, nebo jako doporučení
pro stavby budoucí.
V článku se autoři zabývají zkoumáním optických vláknových senzorů
umístěných do vzorků lepených dřevěných nosníků a následným
měřením jejich poměrného prodloužení v závislosti na působícím mechanickém namáhání. V první fázi se zkoumala mikrostruktura vzorků
v místě lepené spáry a optického vlákna. V druhé fázi byly realizovány
čtyřbodové ohybové zkoušky čtyř kusů dřevěných nosníků se zabudovanými vlákny s FBG snímači. Získané hodnoty poměrných přetvoření
se ověřily pomocí fóliových odporových tenzometrů a výpočetní metody
vycházející ze závislosti poměrných přetvoření na mechanickém napětí
a modulu pružnosti materiálu.
Lepené lamelové dřevo
Lepené lamelové dřevo se používá pro nosné konstrukce staveb domů,
hal a mostů od konce 19. století [4]. Výsledný nosník je tvořen dřevěnými
lamelami, vzájemně slepenými tak, aby měl požadovaný tvar a nosnost.
Charakter lepeného lamelového dřeva slibuje umístění senzorů do jeho
struktury již během výroby, čímž odpadá dodatečná externí montáž senzorů, která je zpravidla dražší a časově náročnější. Navíc externí senzory
jsou nejenom náchylnější na mechanické poškození, ale také nejsou
odolné vůči okolnímu prostředí, což negativně ovlivňuje měřené veličiny.
Vyhodnocení lepené spáry
pomocí mikroskopu
Pro zjištění, zdali je možné vlepit optické vlákno mezi dřevěné lamely,
byly zkoumány vrstvy lepidla mezi lamelami pomocí mikroskopu, jak je
uvedeno na obr. 1. K tomuto se využily dvě série po čtyřech vzorcích od
dvou nejvýznamnějších výrobců lepených dřevěných konstrukcí v ČR.
Měření ukázala velký rozptyl lepené spáry od 26,22 µm do 178,73 µm.
Ukázka lepené spáry je zobrazena na obr. 2. Vzhledem k průměru optického vlákna přibližně 250 µm bylo třeba přejít ke zkoumání lepených
spár vzorků již se zabudovaným vláknem a tím ověřit, zdali nedojde
k poškození optického vlákna během výrobního procesu, kde kritickou
fází je zejména stlačování lepených lamel pod tlakem 0,4–1,2 MPa.
▼ Obr. 1. Vyhodnocení lepené spáry pomocí mikroskopu
17
ho analyzátoru a počítače. Interogační jednotka je ve své podstatě
spektrálním analyzátorem, který
v naměřeném spektru odraženého světla detekuje vlnové délky
jednotlivých FBG senzorů. Existují i jiné způsoby měření odrážené vlnové délky. Jedním z těchto
způsobů je skenování spektra
pomocí přeladitelného laseru
nebo optického filtru a následná
detekce výkonu dopadajícího na
fotodiodu. Nicméně je techno▲ Obr. 2. Struktura dřeva v oblasti spáry
▲ Obr. 3. Optické vlákno osazené v lepené spáře
logicky velmi náročné postavit
přeladitelný laser nebo filtr v optickém pásmu širším než několik
nanometrů. Pro aplikaci je nutné, aby FBG byly od sebe vlnově
Ověření lepených spár
vzdáleny alespoň pět nanometrů, aby bylo možné bezpečně rozlišit
se zabudovanými vlákny
signály od jednotlivých senzorů i při maximálním možném zatížení.
Cílem této fáze výzkumu bylo ověřit, zda nedojde k deformaci
FBG snímače byly do jednotky připojeny pomocí přivařených
optického vlákna vlivem lisování dřevěných lamel po nanesepigtailů s konektory typu FC/APC. Vzorkovací frekvence měřeného
ní lepidla. Pro tento účel byly vyrobeny čtyři vzorky rozměru
signálu byla nastavena na hodnotu 2 Hz. Jednotkou naměřené
100 × 60 × 600 mm tvořené dvěma lamelami tloušťky 30 mm,
Braggovy vlnové délky λB byly poté přepočteny na poměrná přetvoření ελ pro jednotlivé FBG senzory pomocí rovnice (1):
mezi něž bylo vlepeno optické vlákno.
Po zalisování se nejprve měřil útlum vlákna, který byl zanedbatelný,
a následně byly vzorky příčně nařezány a umístěny pod mikroskop.
∆λ B
ελ =
(1)
Jeden ze vzorků je v řezu zobrazen na obr. 3. Z měření útlumů
λ B ⋅ (1 − Pe )
i zobrazení mikrostruktury lepené spáry s vláknem bylo ověřeno,
kde:
že při zalisování jsou optická vlákna zatlačena do struktury dřeva
ΔλBrozdíl Braggovy vlnové délky před zatížením a po něm;
a nedojde k jejich poškození vlivem lisování. Na základě těchto
Pe elasto-optická konstanta, která je v případě vlákna dopovaného
poznatků se přistoupilo k výrobě vzorků dřevěných nosníků s vlegermaniem a Braggovy vlnové délky 1550 nm přibližně rovna 0,22.
penými optickými vlákny s Braggovými mřížkami. Do každého ze
čtyřech vzorků tvořeného čtyřmi lepenými lamelami s rozměry
Při natažení nebo zkrácení mřížky dochází ke změně periody mřížky
80 × 15 × 1000 mm byly vloženy dvě vláknové mřížky, jedna do
a následné změně vlnové délky, která je mřížkou odrážena.
podélné osy mezi dvě horní lamely a druhá mezi dvě spodní lamely.
Měřicí a výpočetní postupy
Optické vláknové snímače
Pro výrobu FBG mřížek se nejčastěji používá jednovidové vlákno
velmi podobné těm, které se běžně používají v telekomunikacích.
Nicméně toto vlákno je silněji dopováno germaniem v jádře pro
zvýšení fotocitlovosti. Díky fotocitlivosti dojde po aplikaci ultrafialového záření u osvícených oblastí k nevratné změně indexu lomu
jádra. Mřížka, od které se odráží úzká část spektra, je vyrobena
Měřicí pracoviště optických vláken
Poměrné přetvoření zatěžovaného vzorku dřevěného nosníku bylo
měřeno podle blokového zapojení, které je uvedeno na obr. 4.
(Poznámka autora: velikost jednotlivých bloků nerespektuje reálné
rozměry.)
Širokospektrální laserový zdroj
generuje optické záření, které se
přes cirkulátor šíří pomocí opticMěřící jednotka
kých vláken přes Braggovy mřížky (FBG) až na konektor FC/APC,
Spektrální
Laserový
analyzátor Cirkulátor zdroj
který je zakrytý a brání šíření optického záření ven z vlákna. Část
spektra záření šířící se zmíněnou
soustavou je mřížkami odražena
a šíří se zpět optickými vlákny
Optické vlákno
do cirkulátoru, kde se již nevrací
do zdroje záření, ale dopadá na
Mini PC
spektrální analyzátor interogační
jednotky.
Pro záznam a vyhodnocení dat
Internet
z Braggových mřížek byla použita interogační jednotka, ve
které jsou odražené vlnové délky
vyhodnoceny pomocí spektrální▲ Obr. 4. Uspořádání měřicího pracoviště
18
Konektor FC/APC
Lamela
Adaptér
Podpora
FBG
Zatížení
hydraulickým
lisem
periodickým osvícením oblastí skrz masku nebo pomocí interference záření dvou laserů.
Do měřených vzorků byla vložena vlákna s FBG senzory, které pracují
na různých vlnových délkách okolo 1550 nm. Vlákna byla umístěna
do předem připravených drážek hloubky přibližně 2 mm a šířky 3 mm
a následně fixována sekundovým lepidlem. Tyto drážky umožňovaly
snadnější fixaci vláken při jejich osazování a dále je chránily před výrazným otlačením od přiléhajících dřevěných lamel v průběhu lisování.
Příklad zakončení slepeného vzorku nosníku s osazenými senzory
a konektory je zobrazen na obr. 5.
Měřicí ústředna pro zaznamenání dat z odporových tenzometrů
Pro měření odporových tenzometrů byla použita jednotka NI cRIO 9075
s měřicí ústřednou NI 9219. Výhodou jednotky je přímé měření
odporu, které nepotřebuje externí napájení ani měřicí můstek. Jednotku lze připojit do lokální sítě, nebo přímo k počítači. Záznam dat
z odporových tenzometrů probíhal pomocí programu LabVIEW, který
jednotku ovládal podle naprogramovaného kódu. Odpory tenzometrů
byly měřeny ve stejném časovém intervalu 2 Hz. Program v LabVIEW
byl společný pro měření odporů i vlnových délek.
Odporové tenzometry
Odporové tenzometry byly použity k měření mechanického napětí prostřednictvím jejich deformace. Důvodem jejich výběru pro porovnání
s optickými vlákny je jejich vysoká mechanická odolnost a rozlišení až
v řádu desítek mikrometrů. Měření pomocí tenzometrů je také ověřeno
desetiletým užíváním, navíc jsou tenzometry kalibrovány
Použité odporové tenzometry tvoří kovová mřížka, zaplňující většinu
plochy tenzometru. Princip odporového tenzometru je založen na
tzv. piezorezistivním jevu, kde mechanickým namáháním dochází ke
změně elektrického odporu, délky a průřezu vodiče. Při namáhání
v tahu se odpor zvyšuje, při namáhání v tlaku se snižuje.
Pro měření jednoho nosníku byly použity dva odporové tenzometry
HBM 1-LY11-10/350 umístěné do lepených vrstev. Jeden odporový
tenzometr byl vlepen do spodní lepené spáry pro snímání tahové
deformace a druhý do vrchní spáry pro snímání tlaku, podobně jako
v případě optického vlákna. Tenzometry byly před spojováním jednotlivých vrstev nalepeny na příslušné dřevěné vzorky pomocí lepidla
HBM X60, obr. 6. Spolu s tenzometry jsou lepidlem X60 zalepeny
i přívodní drátky, aby nemohlo dojít při následné manipulaci k jejich
zkratování. Pro přívodní drátky byly vytvořeny speciální drážky zabraňující mechanickému namáhání pájeného spoje. Namáhání pájených
spojů by nejenom ovlivnilo měření, ale také by je mohlo poškodit. Ve
zbytku drážky jsou drátky bodově fixovány sekundovým lepidlem pro
jejich dostatečné uchycení. Tenzometry jsou umístěny ve vzdálenosti
100 mm od středu rozpětí vzorku, aby nedocházelo k vzájemnému
ovlivnění měření vláknové mřížky a odporového tenzometru.
Výpočet poměrného prodloužení u odporového tenzometru je dán
vztahem (2).
▼ Obr. 6. Instalace odporového tenzometru
ελ =
∆λB
λB ⋅ (1 − Pe )
▲ Obr. 5. Vlákna vystupující z nosníku, zakončená konektorem FC/APC
εR =
R − R0
k⋅R
(2)
kde: ∆λB
ε λε = poměrné prodloužení tenzometru;
R λB ⋅ (1 − Pe )
R měřený odpor tenzometru;
σ x = E ⋅εx
odpor tenzometru;
R0 počáteční
k deformační citlivost.
∆výpočetní
λB
Analytický
postup
ελ =
1

λ
⋅
−⋅ PLe 2)  ⋅ z
1
Prostanovení
poměrného
přetvoření v průřezu zkoumaného dřevěnéRB −m( R
F
⋅
a
+
0

vz
8 vycházet
ε R = lze
 z teorie lineárně(4)
pružného materiálu a závislosti
k⋅R
σ xho= vzorku
1
normálového
na poměrném přetvoření, které je matematicky
h3
⋅ b ⋅napětí
12
uvedeno v rovnici (3):
(3)
σ x = E ⋅ ε x R 1− R0 2
(εFR⋅ =
a + mvz ⋅ L ) ⋅ z
k8⋅ R
kde:ε x =
1
σx normálovéEnapětí
⋅ ⋅ b ⋅[MPa];
h3
12
∆
λ
B
pružnosti [MPa], stanovený na základě vyhodno1 modul
ε λE= Youngův
2
+ Pem
⋅ ⋅(a1 −
) vz ⋅ L  ⋅ z v závislosti na působící síle podle [5];
ceníλBFpřírůstků
8 deformace
(4)
σ xε = poměrné
σ = E ⋅εx
[–].
1 x přetvoření
x
⋅ b ⋅ h3
12
Normálové napětí σx bylo stanoveno ze vztahu (4):
1

2
RF−⋅ aR+ 1mvz ⋅ L 2 ⋅ z
(4)
εσRx == ( F ⋅ a 0+88 mvz ⋅ L) ⋅ z
(4)
εx = k ⋅ R 1
⋅1b ⋅ h3 3
E12⋅ ⋅ b ⋅ h
12
kde:
F síla působící na nosník [kN];
σ x = E ⋅ ε x působící1 síly od2 podpory [m];
a vzdálenost
( F ⋅ a + mvz ⋅ L ) ⋅ z
vzorku [kN/m];
mvz příspěvek
8
ε x =vlastní hmotnosti
1
3
L rozpětí vzorku [m];
E ⋅ ⋅b⋅h
z vzdálenost od těžiště12průřezu k lepené spáře s osazenými snímači [m];
1
b šířka
vzorku
[m];
2
 F ⋅ a + mvz ⋅ L  ⋅ z
8

(4)
σ h= výška vzorku [m].
x
1
⋅ b ⋅ h3
Výsledné12poměrné přetvoření (prodloužení) v lepené spáře lze stanovit
ze vztahu (5):
1
( F ⋅ a + mvz ⋅ L2 ) ⋅ z
8
εx =
1
E ⋅ ⋅ b ⋅ h3
12
(5)
19
#10
-4
0 (-)
8
7
6
5
4
3
2
FBG 1550 nm spodní
FBG 1530 nm horní
1
0
0
1
2
3
4
5
Síla F (kN)
6
7
▲ Obr. 7. Průběh ohybové zkoušky
8
▲ Obr. 8. Naměřené a vypočtené hodnoty poměrného přetvoření pro FBG
senzory v závislosti na působící síle
#10
-4
0 (-)
8
7
6
5
4
3
2
Tenzometr spodní
Tenzometr horní
1
0
0
1
2
3
4
5
Síla F (kN)
6
7
8
▲ Obr. 9. Naměřené a vypočtené hodnoty poměrného přetvoření pro tenzometry
v závislosti na působící síle
Relativní chyba / (%)
10
FBG 1550 nm spodní
Tenzometr spodní
FBG 1530 nm horní
Kompenzace
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
Síla F (kN)
6
7
8
▲ Obr. 10. Relativní chyba měření pro spodní, horní FBG senzor a pro kompenzaci
20
Výsledky
Vyrobené vzorky dřevěných nosníků s osazenými snímači byly pro
ověření funkčnosti navrženého systému podrobeny čtyřbodové
ohybové zkoušce, viz obr. 7. Zatěžovací postup podle [5] byl zvolen
z důvodu stanovení modulu pružnosti dřeva, potřebného pro analytické posouzení.
Zatěžovací síla působící na zkoumané vzorky byla lineárně zvyšována
rychlostí 0,03 kN/sec. Po dosažení 40 % odhadované maximální
únosnosti zkoumaných vzorků byly vzorky odtěžovány až do dosažení
nulové hodnoty působící síly.
Jeden ze vzorků byl zatěžován do porušení z důvodu ověření
dostatečného měřicího rozsahu vlepeného optického vlákna.
V okamžiku destrukce dřevěného vzorku bylo naměřeno poměrné
přetvoření přibližně 2,5·10 -3, což znamená prodloužení o 2,5 mm
na jednom metru délky. Výrobce udává maximální poměrné přetvoření
FBG senzoru až 1·10 -2. V průběhu měření byla zaznamenávána odrážející se vlnová délka spodního i vrchního FBG senzoru spolu s působící
sílou. Podle vztahu (4) bylo z naměřených hodnot vlnových délek
vypočteno poměrné přetvoření a následně porovnáno s analyticky
získanými hodnotami podle vztahu (5).
U horní vláknové mřížky dochází při zatížení ke zmenšení periody
Braggovy mřížky, zatímco u spodní mřížky nastává opačný jev, tedy
perioda se ze zatížením zvyšuje. Toto chování může být výhodně využito pro kompenzaci okolních jevů, které ovlivňují měření, jako například
změna teploty nebo vlhkosti. U obou mřížek totiž narůstá perioda při
zvýšení teploty a vlhkosti. Pokud je tedy vyhodnocen rozdíl naměřených vlnových délek odrážených mřížkami, lze tyto jevy kompenzovat.
Změřené poměrné přetvoření jako funkce působící síly je pro obě vláknové mřížky a tenzometry spolu s vypočtenými hodnotami vyneseno
na obr. 8 a obr. 9. (Poznámka autora: naměřené hodnoty poměrných
přetvoření platí pouze pro zkoumané vzorky uvedených rozměrů.
Jelikož jsou vypočtené hodnoty přímo úměrné působící síle, je tento
průběh lineární.) Z obr. 8 je patrné, že při zatěžování vypočtené hodnoty
téměř kopírují naměřené hodnoty, a to zejména pro horní FBG senzor.
Při odtěžování docházelo k větším odchylkám od naměřených hodnot.
Tento jev může být způsoben nevratnou deformací, která vznikla při
zatížení zkoumaného vzorku na požadovanou mez.
Podobné průběhy lze pozorovat i pro měření odporovými tenzometry na
obr. 9. Nicméně tenzometr umístěný mezi horními lamelami je zatížen
mnohonásobně vyšší chybou než tenzometr umístěný ve spodní části.
Pro získání informace o přesnosti měření pomocí vláknových mřížek
byla vypočtena relativní chyba měření vůči analyticky vypočteným
hodnotám. Tato chyba je pro různé působící síly vynesena na obr. 10.
Pro lepší názornost na obrázku není uveden průběh pro horní tenzometr, jehož naměřené hodnoty vykazují chybu větší než 40 %.
Vzhledem k této chybě také není vyhodnocena kompenzace pomocí
dvou paralelně pracujících tenzometrů.
Graf na obr. 10 ukazuje malou relativní chybu měření při zatížení,
zejména při použití obou vláknových mřížek kompenzujících okolní
vliv. Při odtěžování vzorku je relativní chyba měření až 18 % vůči
analyticky získaným hodnotám.
Závěr
Měření a testování vzorků potvrdilo hypotézu možné integrace
vláknových snímačů do lepených dřevěných nosníků. Jejich
přítomnost lze využít pro monitorování a diagnostiku deformací
stavebních prvků budov. Naměřené hodnoty pro zatěžování nosníku se lišily o méně než 10 % oproti analytickému výpočtu. Při
odtěžování nosníku byly hodnoty relativních chyb od naměřených
hodnot vyšší, což je pravděpodobně způsobeno trvalou deformací,
kterou způsobilo prvotní zatížení nosníku. Při kompenzaci okolních jevů pomocí vyhodnocení rozdílu naměřených hodnot obou
vláknových mřížek byla relativní chyba měření nižší než 3 %. Při
osazení měřeného nosníku v prostředí s okolní teplotou a vlhkostí
proměnnou v čase je možné s výhodou tento jev kompenzovat
použitím dvou vláknových mřížek mezi dvěma spodními a dvěma
horními lamelami.
V současné době se tento systém využívá v pilotní instalaci objektu
firmy AKTIVIT, spol. s r.o., v Novém Boru. ■
[1]Havířová, Z.; Kubů, P.: Stavby 21. století – stavby ze dřeva (IX), TZB-info.cz, listopad 2005.
[2] Wacker J.; Deza, U.; Phares B. M.; Wipf T. J.: Development of
a Smart Timber Bridge Girder WITH Fiber Optic Sensors. Procee-
dings of the International Conference on Timber Bridges, Lillehammer, Norway, 2010.
[3] Yang, T. H.; Wang, S. Y.; Lin, CH. J.; Tsai, M. J.; Lin, F. CH.: Effect
of Laminate Configuration on the Modulus of Elasticity of Glulam
Evaluated Using a Strain Gauge Method, Journal of Wood Science,
53 (1): 31–39, 2007
[4] Anshari, B.; Guan, Z. W.; Komatsu, K.; Kitamori, A.; Jung, K.: Explore
Novel Ways to Strengthen Glulam Beams by Using Compressed
Japanese Cedar. 11th World Conference on Timber Engineering,
Riva del Garda, 2010.
[5] Č SN EN 408 Dřevěné konstrukce. Konstrukční dřevo a lepené
lamelové dřevo. Stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností, čl. 10. Český normalizační institut, Praha,
2012.
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu TAČR-CK
TE02000202 Advanced Sensors a projektu Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
Autoři:
Ing. Richard Zelený, Ing. Lukáš Velebil, Ing. Jan Včelák, Ph.D.
doc. Ing. Petr Kuklík, CSc., Ing. Monika Terebesyová, Ph.D.
Ing. Milan Dvořák, Ph.D., Ing. Ladislav Šašek, CSc.
SAFIBRA, s.r.o.
inzerce
CERTIFIKOVANÉ
DŘEVOSTAVBY
A DŘEVĚNÉ KONSTRUKCE
HAAS FERTIGBAU
rodinné domy
mateřské školy
dřevěné konstrukce
ZVEME VÁS NA NEJVĚTŠÍ VELETRH
DŘEVĚNÝCH STAVEB V ČR
www.Haas-Fertigbau.cz
4. – 7. 2. 2016
Výstaviště Praha-Holešovice
Expozice Haas Fertigbau: PK 33
21
dřevostavby
text Ing. Lukáš Velebil, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc. | grafické podklady archiv autorů
Mechanicky spojované
křížem vrstvené dřevo
Panely z křížem vrstveného dřeva (CLT) tvoří
deskový prvek složený obvykle z lichého
počtu vzájemně kolmo orientovaných vrstev. Tuhost a únosnost panelů je významně
závislá na tuhosti spojení mezi jednotlivými
vrstvami. Nejúčinnějším způsobem spojení vrstev je lepení, které ovšem není vždy
nejvhodnějším řešením. Alternativou lepícího procesu je využití mechanických spojovacích prostředků kolíkového typu. V důsledku kolmé orientace vrstev lamel a jejich
plošného spojení pomocí mechanických
spojovacích prostředků dochází k odlišnému
chování a jiným pevnostním a tuhostním
vlastnostem, než předpokládají současné
návrhové přístupy. Pro ověření skutečného
chování panelů z mechanicky spojovaného
CLT byly provedeny zkoušky vzpěrné a výztužné únosnosti a zkoušky ohybové tuhosti
stropních panelů, jejichž výsledky jsou prezentovány v tomto článku.
Výroba mechanicky spojovaných panelů
Základní surovinu pro výrobu panelů tvoří hoblovaná prkna
(tzv. lamely) tloušťky 27 mm a šířky od 100 do 170 mm. Tyto lamely se uměle vysuší na vlhkost 12 % ±2 % a strojně či vizuálně
roztřídí do příslušných pevnostních tříd. Panely jsou nejčastěji
složeny ze smrkového dřeva třídy pevnosti C24. Sestavování panelů do požadovaného tvaru a finální opracování včetně vytvoření
všech otvorů probíhá na automatizovaném CNC obráběcím centru.
Toto zařízení umožňuje snadno a rychle prošroubovat všechny
vrstvy v požadovaných roztečích. Jednotlivá prkna mechanicky
spojovaných panelů jsou skládána do vrstev s bočními hranami
spojenými na sraz. Vrstvy jsou na sebe ukládány tak, aby jejich
směr byl navzájem kolmý. Následuje aplikace mechanických
spojovacích prostředků, které jsou osazeny v místech křížení
jednotlivých lamel. Při použití této technologie výroby nevznikají,
na rozdíl od lepených panelů, nadbytečné prořezy ani odpady.
Rozmístění a počet spojovacích prostředků je dán statickými
požadavky, současně se však také musí dodržet požadavky na
minimální rozteče spojovacích prostředků.
Zkoušené stěnové panely, jejichž výsledky jsou prezentovány
v tomto článku, byly spojovány pomocí dvojice pozinkovaných celozávitových vrutů 5 × 80 mm, osazených v každém křížení lamel.
U třívrstvých panelů vruty procházely příčně všemi vrstvami, u pa-
22
nelů pětivrstvých byly nejprve první sadou vrutů propojeny první
tři vrstvy a následně druhou sadou vrutů připojeny dvě zbývající
vrstvy. Pro stropní panely je oproti stěnovým panelům zvoleno
odlišné uspořádání lamel. Panely byly tvořeny čtyřmi podélnými
vrstvami orientovanými rovnoběžně se směrem rozpětí panelu
a jednou vrstvou orientovanou příčně. Pro spojení vrstev bylo
využito dvou sad vrutů se čtyřmi vruty na každé křížení lamel.
Statická únosnost stěnových panelů
V rámci experimentálního programu byly provedeny zatěžovací
zkoušky pro stanovení vzpěrné a výztužné únosnosti stěnových
panelů.
Vzpěrná únosnost
Pro stanovení vzpěrné únosnosti třívrstvých a pětivrstvých stěnových panelů byly použity zkušební série se třemi identickými
vzorky rozměru 1000 × 2200 mm [1]. Využití aktuálně dostupného
hydraulického lisu ukotveného v ocelovém rámu umožnilo zkoušení stěn o výšce pouze 2200 mm, viz obr. 1.
▼ Obr. 1. Měření vzpěrné únosnosti stěnových panelů
Panely byly zakotveny v patě ocelovými patkami. Zatěžování
probíhalo kontinuálně rovnoměrnou rychlostí 50 kN/min až do
ztráty stability a do dřevěného panelu se přenášelo přes ocelový
roznášecí profil IPE. Záznamy měření průběhu tlakové síly v závislosti na čase jsou zobrazeny na obr. 2 a obr. 3.
Experimentálně dosažené hodnoty vzpěrné únosnosti jsou shrnuty v tab. 1.
Třívrstvý panel
Vzorek
3s – 1
3s – 2
3s – 3
Pětivrstvý panel
Vzorek
5s – 1
5s – 2
5s – 3
Fmax
[kN]
280,67
250,86
238,83
Fmax
[kN]
437,44
360,54
445,61
F0,05,k
[kN]
197,27
F0,05,k
[kN]
285,56
▲ Obr. 2. Průběh zkoušky vzpěrné únosnosti třívrstvých stěnových panelů
▲ Tab. 1. Vzpěrná únosnost pro výšku panelu 2200 mm
Při běžném použití panelů v konstrukcích jsou rozhodující vzpěrné
délky mezi 2,3 a 3,3 m. Přepočet charakteristických hodnot pro
tyto vzpěrné délky byl následně proveden na základě Eulerova
kritického břemena. Hodnoty vzpěrné únosnosti získané z experimentu lze stanovit analytickým výpočtem s uvážením efektivní ohybové tuhosti panelu podle informativní přílohy B normy
ČSN EN 1995 -1-1 [2]. Tato zjednodušená výpočetní metoda
(tzv. gama metoda) vychází z diferenciální rovnice elastického spřažení. Pro návrh jsou uvažovány pouze vrstvy lamel orientované ve směru
vertikálního zatížení, ohybová tuhost horizontálních vrstev lamel je ve
výpočtu zanedbána. Po stanovení součinitele poddajnosti spojení γi,
materiálových charakteristik a geometrických charakteristik průřezu
lze určit účinnou ohybovou tuhost EIef ze vztahu (1)
3
(
)
EI ef = ∑ Ei ⋅ I i + γ i ⋅ Ei ⋅ Ai ⋅ a1
i =1
2
(1)
Výztužná (smyková) únosnost
Prostorová stabilita hraje zásadní roli v konstrukčním řešení vícepatrových budov. Prostorové tuhosti se u jednotlivých konstrukčních
systémů dřevostaveb dosahuje různými přístupy. Těžký dřevěný
skelet tvořený jednotlivými kloubově spojovanými prutovými prvky
využívá k přenosu horizontálních sil a zajištění prostorové tuhosti diagonální dřevěné vzpěry. Systém lehkého skeletu v současné
převládající variantě Platform Frame využívá k zajištění smykové
tuhosti stěn konstrukční opláštění deskami na bázi dřeva či sádry. Masivní dřevěné konstrukce mají potenciál snadno přenášet
vodorovné síly do základových konstrukcí přes smykové stěny.
Výztužná únosnost mechanicky spojovaných křížem vrstvených
panelů je zajištěna spojením jednotlivých vrstev pomocí vrutů,
přičemž počet a parametry vrutů významně ovlivňují výsledné
hodnoty únosnosti.
Pro stanovení výztužné únosnosti masivních dřevěných panelů
v současnosti neexistuje jednotná harmonizovaná zkušební norma. Pro experimenty byla proto využita norma ČSN EN 594 [3]
s určitými úpravami, nicméně využity byly veškeré předpoklady
a požadavky této normy. V průběhu zatěžování byly panely sou-
(1)
▲ Obr. 3. Průběh zkoušky vzpěrné únosnosti pětivrstvých stěnových panelů
časně namáhány vodorovnou tlakovou silou a svislým liniovým
zatížením vyvozenými hydraulickými válci. Zatěžovací sestava pro
stanovaní výztužné únosnosti je zobrazena na obr. 4.
Pro třívrstvé i pětivrstvé stěnové panely byly použity zkušební
série s pěti identickými vzorky rozměru 2500 × 3000 mm [4]. Pro
zajištění tuhého připojení k úložné betonové desce a dosažení
maximální smykové deformace byly panely v patě kotveny pomocí
masivních ocelových kotev. Vodorovná síla byla do panelů vnášena v jednotlivých zatěžovacích stupních, svislé tlakové zatížení
o konstantní hodnotě 20 kN bylo vnášeno jako liniové zatížení přes
ocelový roznášecí profil IPE. Záznamy měření průběhu vodorovné
deformace v závislosti na působící vodorovné síle jsou na obr. 5
a obr. 6.
Pro následné vyhodnocení výztužné tuhosti stěny Rv byly použity
naměřené hodnoty pro 20 % a 40 % z maximálního zatížení Fmax
a příslušné hodnoty vodorovného posunutí. Experimentálně dosažené hodnoty výztužné únosnosti jsou shrnuty v tab. 2.
23
▲ Obr. 5. Průběh zkoušky výztužné únosnosti třívrstvých stěnových panelů
▲ Obr. 4. Měření výztužné únosnosti stěnových panelů
Třívrstvý panel
Vzorek
Fmax
Rv
F0,05,k
R0,05,k
[kN]
[N/mm]
[kN]
[N/mm]
31,33
473,99
3s – 1
46,93
733,77
3s – 2
42,40
704,24
3s – 3
38,67
594,44
Rv
F0,05,k
R0,05,k
[kN]
[N/mm]
58,29
1390,19
Pětivrstvý panel
Vzorek
Fmax
[kN]
[N/mm]
5s – 1
67,47
1733,14
5s – 2
63,73
1762,69
5s – 3
73,07
1856,75
5s – 4
64,53
1514,59
5s – 5
71,47
1615,22
▲ Tab. 2. Výztužná únosnost pro výšku panelu 3000 mm
I když se pro každou sérii použilo pět zkušebních vzorků, pro
vyhodnocení únosnosti byly využity hodnoty měření pouze ze tří
zkoušených vzorků. U zkoušky prvního vzorku třívrstvého panelu
bylo dosaženo maximálního vodorovného rozsahu zatěžovacího
válce, a tak není zaznamenáno odtížení. U druhého vzorku se během zatěžování uvolnily podkladní ocelové destičky, jejichž pádem
byly přerušeny připojené kabely a byla ztracena zaznamenávaná
data. Stěnové panely se během experimentu výrazně neporušily
24
▲ Obr. 6. Průběh zkoušky výztužné únosnosti pětivrstvých stěnových panelů
ani v ploše ani v místě uložení, a tak mohlo být dosaženo maximální možné vodorovné deformace.
Pro analytické posouzení výztužné únosnosti stěnových panelů
je v současnosti k dispozici návrhový postup uvedený v ČSN EN
1995-1-1 [2], který však uvádí způsob výpočtu pouze pro rámové
konstrukce opláštěné deskou s dostatečnou tuhostí ve své rovině,
umožňující přenesení smykového namáhání při využití únosnosti
mechanických spojovacích prostředků. Předpokladem výpočtu
je vytvoření rovnoměrného smykového toku v místě spojovacích
prostředků. Vytvořením modelu pro výpočet výztužné únosnosti
stěnových panelů z mechanicky spojovaného CLT se zabývá
další výzkum.
Ohybová tuhost stropních panelů
Systém mechanicky spojovaných panelů z křížem vrstveného
dřeva se v současnosti používá pouze pro stěnové konstrukce.
Pro realizaci stropních konstrukcí je využíván systém nosníků
z rostlého, či lepeného lamelového dřeva, případně jsou z důvodu zvýšení požární odolnosti a zlepšení akustických vlastností
▲ Obr. 8. Průběh čtyřbodové ohybové zkoušky stropního panelu
▲ Obr. 7. Průběh svislé deformace panelu v závislosti na působící síle
využívány spřažené dřevobetonové konstrukce nosníkového typu.
Z důvodu sjednocení konstrukčního systému byly zjišťovány možnosti využití stávající technologie výroby stěnových panelů i pro
prvky stropních konstrukcí.
Přestože stěnové i stropní konstrukce z masivního deskového
systému tvoří plošný prvek, namáhání, kterému jsou vystaveny,
a tím také požadavky, které musí splňovat, se liší. Pro stěnové
panely, vystavené účinkům svislého zatížení působícího v rovině
prvku, je rozhodující jejich vzpěrná únosnost. Tato hodnota je
závislá na vzpěrné délce, účinné tuhosti průřezu a také na způsobu podepření prvku. O smykové únosnosti panelů rozhoduje
v největší míře tuhost spojení jednotlivých vrstev lamel a kotvení
stěnového prvku k podkladní konstrukci. Stropní panely jsou na
rozdíl od panelů stěnových namáhány zatížením působícím kolmo
k jejich rovině, proto o jejich únosnosti rozhoduje hlavně účinná
ohybová tuhost průřezu. Pro zjištění ohybové tuhosti a ověření
skutečného chování byly dva vzorky stropních panelů vystaveny
klasické čtyřbodové ohybové zkoušce podle ČSN EN 408 [5],
viz obr. 8. Svislé tlakové zatížení vyvozované hydraulickým válcem
bylo pomocí vahadla rozděleno na dvě shodné síly. Vahadlo bylo
tvořeno soustavou ocelových roznášecích nosníků profilu IPE.
Použité zkušební vzorky tvořily pětivrstvé panely o rozměru
2600 × 1000 × 135 mm. Během experimentu bylo zaznamenáváno vodorovné posunutí horních dvou vrstev lamel vůči sobě,
vzájemné svislé posunutí krajních vláken horní a dolní vrstvy a celková svislá deformace panelu. Záznamy měření svislé deformace
uprostřed rozpětí panelů v závislosti na působící zatěžovací síle
jsou zobrazeny na obr. 7.
Z důvodu otlačení spojovacích prostředků v průřezu obou zkoumaných vzorků došlo během zatěžování k postupnému vodorovnému
posunu a svislému oddálení jednotlivých vrstev. Posun lamel měl
za následek postupné snižování ohybové tuhosti. K porušení obou
vzorků došlo v působišti zatěžovací síly vyčerpáním únosnosti
spodních vláken průřezu. Vyhodnocení výsledků zkoušek je shrnuto v tab. 3.
Vzorek
5s – 1
5s – 2
Mmax
[kNm]
51,48
46,32
▲ Tab. 3. Ohybová tuhost pro rozpětí panelu 2160 mm
EIef
[Nmm2]
2,39 · 1011
1,98 · 1011
Mechanicky spojované panely se zkoumaným uspořádáním a spojením lamel mají nízkou ohybovou tuhost, která v důsledku významných
deformací limituje jejich použití pro stropní konstrukce větších rozpětí.
Zvýšení ohybové tuhosti lze docílit použitím vrutů většího průměru,
případně jejich osazením pod úhlem 45° vzhledem k rovině panelu.
Závěr
Poznatky získané z provedených experimentálních měření ukazují, že
stěnové panely vyrobené z mechanicky spojovaného křížem vrstveného dřeva vykazují velmi dobré mechanické vlastnosti, umožňující
jejich použití v běžných stavebních konstrukcích. Stanovení tuhosti
spojů lamel výztužných stěnových prvků a zvýšení tuhosti stropních
prvků je věnován další výzkum. ■
[1]Nechanický, P.: Stanovení charakteristických hodnot vzpěrné
únosnosti masivních dřevěných panelů, vyhodnocení měření,
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Praha, 2013.
[2] ČSN EN 1995-1-1: (73 1701) Eurokód 5: Navrhování dřevěných
konstrukcí Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006.
[3] ČSN EN 594: (73 2076) Dřevěné konstrukce – Zkušební metody – Výztužná únosnost a tuhost stěnových panelů s dřevěným
rámem, ČNI, Praha, 2011.
[4] Nechanický, P.: Stanovení charakteristických hodnot výztužné (smykové) únosnosti masivních dřevěných panelů, vyhodnocení měření,
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Praha, 2013.
[5] ČSN EN 408+A1: (73 1741) Dřevěné konstrukce – Konstrukční
dřevo a lepené lamelové dřevo – Stanovení některých fyzikálních
a mechanických vlastností, ČNI, Praha, 2012.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory projektu Univerzitní centrum
energeticky efektivních budov, projektu COST CZ LD15077 Mechanicky spojované křížem vrstvené dřevo (CLT) a projektu TE02000077
Inteligentní regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj.
Autoři:
Ing. Lukáš Velebil, doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.
ČVUT v Praze, Fakulta stavební a Univerzitní centrum energeticky
efektivních budov
25
inzerce
Postavili jsme již 23 000 domů
Tradice dlouhá 46 let a 23 000 domů –
to je současná bilance společnosti
RD Rýmařov. V Evropě je jen několik
26 stavebnictví 01–02/16
společností, které se mohou pre
zentovat podobnou historií. Firma
za tuto dobu vrostla do rýmařovské
ho regionu a není zde rodiny, která
neměla nebo nemá s RD Rýmařov
něco společného. Dvacet tři tisíc
domů představuje již prakticky sto
tisícové město. Představuje tři gene
race spokojených obyvatel produk
tu vyrobeného v podhůří Jeseníků.
Za tímto číslem je práce tisíců mana
žerů, techniků a dělníků, kteří svou
prací a umem umožnili, že se domy
staly domovy spokojených rodin.
Firma RD Rýmařov překonávala od
prvopočátku různé problémy, nevy
hýbají se jí omyly, neustále však hle
dá cesty vpřed. To jí umožnilo, že se
stala absolutním lídrem montované
výstavby na bázi lehké prefabrikace
dřeva v České republice a ve stře
doevropském regionu. Současná
nabídka domů, která je důsledně
vedena v rámci pěti „E“ (ekonomická
přijatelnost, energetická přiměřenost,
efektivní rychlá výstavba, ekologické
zásady a estetická dokonalost), vede
k tomu, že pro rok 2016 uzavřela fir
ma 570 smluv na nové domy.
Není náhodou, že dům s pořadovým
číslem 23 000 je NOVA 101. Dům, kte
rý je od roku 2010 nejprodávanějším
domem z produkce firmy RD Rýmařov.
Dům, který nezískává ocenění architek
tů, ale pro svou účelnost a energetické
parametry je vyhledávaný zákazníky. Na
tento dům navazují v prodejní úspěš
nosti domy LARGO 98 a KUBIS 631,
potažmo KUBIS 632. Domy těchto řad
nejsou výhodné jen pořizovací cenou,
která vnímá průměrnou výši hypotéky,
ale celá jejich koncepce a energetic
ké parametry ve svém výsledku snižují
provozní náklady a splátky hypotéky na
částky přijatelné pro běžnou rodinu.
Dům s výrobním číslem 23 000 a po
čty současných uzavřených smluv
potvrzují prodejní strategii firmy RD Rý
mařov. Strategii, jež se opírá o moderní
vlastnost základního konstrukčního ma
teriálu dřeva, kterou je silný inovační po
tenciál prověřený staletími. Vždyť stavby
na bázi dřeva sloužily v pravěku, zrovna
tak ve středověku a jsou připraveny spl
nit náročné parametry evropské agendy
2020 potvrzené na pařížské ekologické
konferenci na sklonku minulého roku.
Pro definování svých cílů využívá firma
poznatků Inovačního centra Národního
dřevařského klastru v Ostravě, jehož
byla spoluinvestorem, a také programů
TAČR ČR spolu s UCEEB při ČVUT
v Praze. Tato špičková evropská pra
coviště jsou zárukou vysokých kvali
tativních parametrů domů z produkce
RD Rýmařov. Parametrů, které obstojí
v evropské konkurenci. Důkazem jsou
ocenění, která za své realizace získala
firma na velmi náročném rakouském
trhu. V roce 2014 to bylo ocenění Dře
vostavba roku za konferenční centrum
v rakouském Stollhofu a vloni to byla
prestižní cena Wienwood, udělovaná
jednou za pět let, a to za bytové sídliště
ve Vídni.
Firma RD Rýmařov se prezentuje
jako firma budoucnosti. V letošním
roce se stal rýmařovský závod vý
robní základnou další významné ev
ropské značky HANLO. V Rýmařově
probíhá investiční činnost, která ve
výsledku změní tuto výrobní kapa
citu na jednu z největších v Evropě.
Je to velká výzva pro rýmařovský re
gion a zejména pro samotnou firmu
RD Rýmařov. Ta v roce 2019 oslaví
padesát let od položení základního
kamene. Firma se ovšem nemíní
zastavovat a bilancovat, chce dyna
micky působit na evropských trzích
a posilovat značku RD Rýmařov tak,
aby její spokojení zákazníci stavěli
domy z produkce RD Rýmařov již ve
čtvrté generaci.
Ing. Jiří Pohloudek
obchodní ředitel společnosti
RD Rýmařov s.r.o.
▲ Rodinný dům NOVA 101 je nejprodávanějším domem z produkce RD Rýmařov
stavebnictví 01–02/16 27

Časopis Stavebnictví - příloha Dřevostavby

Transkript

Podobné dokumenty

mil HDBK 695

Energeticky soběstačné budovy

Výsledky výzkumu douglasky tisolisté (Pseudotsuga menziesii / Mirb

Abies grandis /Douglas ex D. Don/ Lin

Katalog Grand Prix Architektů 2016

možnost stáhnout zde

AB měření seznam

5. TECHNOLOGIE VÝROBY KARTONÁŽÍ Z VLNITÝCH LEPENEK

Magnetic Measurements 2010

novatop solid - Novatop systém

Portál oEnergetice.cz

Miedzynarodowe Zawody Barborkowe Jastrzebie

Skylark I-LE