VUT Fakulta dopravn v Dn Materily DEVO A

ČVUT, Fakulta dopravní v Děčíně – Materiály DŘEVO A MATERIÁLY NA BÁZI DŘEVA

Současné trendy v použití dřeva – – – Montované rodinné domy Vícepodlažní budovy (bytovky, administrativní budovy, školy) Lehké střešní konstrukce Haly pro sportovní a zemědělské účely Speciální stavby (kostely, reprezentační stavby) Lehké lávky (pro pěší a cyklisty) Nové trendy – Konstrukce smíšené ze dřeva, oceli a betonu – Kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce

Výhody pro využívání dřeva ve stavebnictví a konstrukcích – Zachování zbývajících zdroje vyčerpatelných surovin – Dřevařský průmysl poměrně nízký dopad na ŽP – Vývoj progresivních technologií třídění a zpracování dřeva, spojovacích prvků ze dřeva, materiálů na bázi dřeva a postupů pro navrhování dřevěných konstrukcí – Schopnost dřevo spolupůsobit s ocelí i betonem hospodárné smíšené konstrukce. – Předvídatelnost chování dřeva při požárech (větší dřevěné průřezy vyšší požární odolnost – K výrobě dřeva a materiálů na bázi dřeva je zapotřebí málo energie – Recyklovatelnost

Dělení dřeva – Podle tvrdosti (měkké a tvrdé) – Podle druhu (jehličnaté a listnaté dřeviny) Druhová skladba lesů ČR Jehličnaté dřeviny 76, 5 % Listnaté dřeviny 22, 3 % smrk 54, 1 % dub 6, 4 % borovice 17, 5 % buk 6, 0 % modřín 3, 8 % ostatní listnáče 9, 9 % jedle 0, 9 % ostatní jehličnany 0, 2 % Poznámka: jasan, javor, bříza a lípa se ke konstrukčním účelům prakticky nepoužívají.

Smrkové dřevo – nejčastěji používaná dřevina na dřevěné konstrukce – je bílé až nažloutlé barvy, mírné smolnaté, pevně zarostlé suky – měkké, lehké, pružné, snadno štípatelné a zpracovatelné –vhodné k lepení – v suchu je trvanlivé, ve vlhku rychle hnije

Borové dřevo – – – – poměrně sukovité načervenalá barva značný obsah pryskyřice odolnost proti vlivům vlhkosti; je poměrně křehké a méně pružné nevhodné pro konstrukční prvky namáhané ohybem uvolňování a vypadávání suků vhodné do prostředí se střídáním sucha a vlhka

Jedlové dřevo – – – pravidelný růst (lepší než u smrku) šedobílé barvy, menší obsah pryskyřice, suky někdy vypadávají měkké, pružné, dobře štípatelné, ohebné a nosné méně trvanlivé než dřevo smrkové a borové náročnější na zpracování časem šediví až černá

Modřínové dřevo – – – rovnoměrné prosyceno množstvím pryskyřice trvanlivé, dobře vzdoruje střídání sucha a vlhka velmi pružné (v minulosti používáno na krovy velkých rozpětí) světle žluté barvy, stářím červená, hnědne a tmavne polotvrdé

Dubové dřevo – – – nejvhodnější dřevo pro výrobu hmoždíků, kolíků, klínů apod. životnost na suchu 500 -700 let, ve vodě neomezená odolnost proti ohni (zejména impregnované) tvrdé, pevné, těžké, houževnaté a trvanlivé velká pevnost v tlaku i v tahu žlutohnědé barvy

Bukové dřevo – – – bez impregnace hůře odolává vlivům vlhkosti využití k výrobě dýh a překližek měkčí než dřevo dubové, méně houževnaté těžko opracovatelné načervenalé barvy

Struktura dřeva – jehličnaté dřeviny – měkké až středně tvrdé, růst 80 -100 let, výška 25 -40 m, průměru kmene až 1 m Tracheidy – buňky, hlavní skladebný prvek – až 95 % objemu dřevní hmoty – 2 -5 mm dlouhé, 30 -40 μm široké – tloušťka stěn buněk: jarní 2 -3 μm, 5 -7 μm letní Dřeňové paprsky – pletiva z horizontálně uspořádaných buněk – cca 7 % objemu dřevní hmoty Struktura jehličnatých dřevin: a - příčný řez, b - radiální řez, c - tangenciální řez, d - letokruh, e - tracheidy, f - dvojtečky, g - dřeňový paprsek, h - pryskyřičný kanálek

Struktura dřeva – listnaté dřeviny – tvrdé dřeviny, růst 120 -150, výška 20 -25 m (dub až 60 m), průměr kmene až 1, 5 m (dub až 3 m) Tracheje – buňky, hlavní skladebný prvek – až 75 % objemu dřevní hmoty – širší a objemnější než ostatní druhy dřevních buněk – válcovitý tvar Dřeňové paprsky – pletiva z horizontálně uspořádaných buněk – cca 18 % objemu dřevní hmoty Struktura listnatých dřevin: a - příčný řez, b - radiální řez, c - tangenciální řez, d - letokruh, e - tracheidy, f - tracheje, g - perforace přepážky tracheje, h – dřeňový paprsek

Chemické složení dřeva (velmi podobné u všech dřevin) – uhlík 49, 5 %, kyslík 44, 2 %, vodík 6, 1 %, dusík 0, 2 % – celulóza, hemicelulóza, cukry, lignin a extraktivní (těkavé kyseliny, éterické oleje, alkoholy, barviva, minerální sloučeniny) Vlastnosti dřeva – V různých směrech rozdílné vlastnosti – rozdíly vlastností rovnoběžně s vlákny a kolmo k vláknům (dále vlastnosti v radiálním a v tangenciálním směru) – Nejlepší parametry pevnosti i tuhosti a nejmenší deformace účinkem teploty, sesychání či bobtnání jsou ve směru rovnoběžně s vlákny

Fyzikální vlastnosti dřeva Objemová hmotnost dřeva závisí na množství obsažené vody: Dřevina Objemová hmotnost dřeva [kg·m-3] čerstvě vytěžené při vlhkosti 15 % při vlhkosti 0 % dub 920 -1300 690 650 buk 900 -1240 720 680 modřín 800 590 550 borovice 900 520 490 jedle 850 410 smrk 850 470 430

Vlhkost dřeva – dána množstvím vody obsažené ve dřevu tj. poměrem hmotnosti vody k hmotnosti sušiny dřevní hmoty Voda ve dřevu – hygroskopicky vázaná (obsažená ve stěnách buněk) < 30 % – vlhkost 30 %: bod nasycení vláken (buněčné stěny nasyceny) – volná (obsažená mimo stěny buněk) Hygroskopickým vlhnutím a vysycháním se zvětšuje a zmenšuje tloušťka buněčných stěn bobtnání a sesychání dřeva Objemové změny v buňkách dřeva vlivem hygroskopicky vázané a volné vody

Sesychání a bobtnání dřeva Anizotropní struktura dřeva výrazné rozdíly v sesychání a bobtnání dřeva v tangenciálním a radiálním směru (tvarové změny dřevěných prvků Tvarové změny dřevěných prvků vlivem sesychání dřeva: 1 - kosočtverečná, 2 - konkávní, 3 - eliptická

Tvarové změny dřevěných prvků vyvolávají nezbytnost různých konstrukčních opatření (u lepených konstrukcí): – u lepených lamelových prvků š > 200 mm (drážky nebo dvě lamely vedle sebe. Úpravy zabrání potrhání dřeva při sesychání vlivem přídavných napětí (zabránění tvarové deformaci prvků) Konstrukční úpravy lepených prvků Průměrné hodnoty součinitele vlhkostní deformace při změně vlhkosti dřeva o 1 %

Tepelné vlastnosti dřeva – Tepelná vodivost: velmi malá (nízká objemová hmotnost, pórovitost) vhodný tepelně izolační materiál – Teplotní roztažnost: malá (u DK netřeba počítat s účinky od teplotních změn ani provádět dilatační spáry) Elektrické vlastnosti dřeva – suché dřevo je velmi dobrý izolant – měrný elektrický odpor dřeva je nejmenší v podélném směru vláken, napříč vláken téměř dvakrát větší – s rostoucí vlhkostí a teplotou se elektrický odpor dřeva velmi snižuje. Akustické vlastnosti dřeva – průměrná zvuková vodivost dřeva: cca 4 500 ms-1 v podélném směru, cca 1000 ms-1 napříč vláken – zvuková pohltivost dřeva dopadající energie: cca 50 % – zvuková průzvučnost vyjádřená úbytkem intenzity zvuku: dřevo tloušťky 50 mm 27 d. B, překližky tloušťky 12 mm 23 d. B

Mechanické vlastnosti dřeva Vliv zatížení – charakter zatížení (statické, dynamické, rázové) – trvání zatížení (stálé, dlouhodobé, střednědobé, krátkodobé, okamžikové) Zjišťování statickými zkouškami na zkušebních tělesech Ovlivňující faktory – konstrukční rozměr: čím větší rozměry, tím horší mechanické vlastnosti – objemová hmotnost: čím vyšší OH, tím lepší mechanické vlastnosti – vlhkost dřeva: čím vyšší vlhkost (< 30 %), tím horší mechanické vlastnosti – vady dřeva (výsušné trhliny, suky, hniloba, poškození hmyzem atd. ) zhoršují mechanické vlastnosti (zejména pevnost dřeva v tahu) – rychlost zatěžování: čím vyšší rychlosti zatěžování, tím vyšší pevnost dřeva – doba trvání zatížení: s prodlužováním času trvání zatížení pevnost dřeva klesá na cca 60 % krátkodobé pevnosti dřeva

Dřevo a materiály na bázi dřeva na stavební konstrukce Dřevo na stavební konstrukce - deskové řezivo (prkna, fošny) - hraněné řezivo (hranoly a latě) - polohraněné řezivo - výřezy pro stavební účely (sloupy, piloty apod. ) Vlhkost dřeva na stavební konstrukce se předepisuje dle typu konstrukce Pevnostní třídy - třída S 13 - řezivo vysoké pevnosti (třída S 0 podle 49 1531 -1) - třída S 10 - řezivo normální pevnosti (třída SI podle 49 1531 -1) - třída S 7 - řezivo nízké pevnosti (třída Sil podle 49 1531 -1)

Druhy řeziva Výrobek Druh řeziva A – Fošna B – Prkno Deskové řezivo C – Trám Polohraněné řezivo, dvoustranně řezané řezivo s oblými boky D – Hranol Hraněné řezivo pravoúhlého průřezu E – Lať F – Liška Drobné řezivo

Materiály na bázi dřeva na stavební konstrukce – výroba různým průmyslovým zpracováním dřeva – většinou lisování (zpravidla za tepla) speciálně připravených dřevních komponentů získaných mechanickým dělením dřeva – odstranění nevýhod dřeva (suky, smolníky a jiné růstem podmíněné charakteristiky ovlivňující vlastnosti dřeva) – rozdělením dřeva na menší částice a jejich opětovným spojením vzniká materiál na bázi dřeva s vylepšenými vlastnostmi Poznámky Materiály na bázi dřeva si musí uchovat svoji celistvost a pevnost v příslušné třídě vlhkosti po celou předpokládanou životnost konstrukce. Parametry pevnosti a tuhosti materiálů na bázi dřeva a jejich dalších se stanovují na základě zkoušek provedených podle příslušných norem EU.

Materiály na bázi dřeva I. – Překližované desky – překližky, laťovky, sendvičové desky – slepeny z lichého počtu (nejméně tří) vrstev – nejpoužívanější je překližka (jednotlivé vrstvy složeny z loupaných nebo krájených dýh tak, aby sousední vrstvy svíraly úhel obvykle 90°) Skladba překližky a) třívrstvé, b) vícevrstvé: L - délka, B - šířka, 1 - podélná dýha, 2 - příčná dýha

Materiály na bázi dřeva II. – Vláknité desky – výroba z rozvlákněného odpadu z pilařské výroby – zplsťování mokrým nebo suchým výrobním procesem vrstvení formování působením tepla a tlaku – různé vlastnosti (lisovací tlak, teplot, druh a množství přídavných látek) – sedm různých typů desek s rozdílnými vlastnostmi

Materiály na bázi dřeva III. – Třískové desky – výroba z třísek dřeva, které se po přidání lepidla za tepla slisují – plošně lisované (plošné vrstvení třísek a lisování horkými deskami lisu) – výtlačně lisované (protlačení směsi třísek pod tlakem výtlačnou štěrbinou a zformování se do nekonečného pásu) – současná světová výroba v obrovských objemech

Materiály na bázi dřeva IV. – OSB desky OSB (desky z orientovaných plochých třísek) – výroba z kvalitních dřevin (borovice) – ploché třísky (d = 50 -75 mm, š < ½ d) – krajní vrstvy desky: třísky orientované || s podélným směrem desky – středová vrstva: třísky uspořádány k podélnému směru nebo náhodně. – lepeny fenolformaldehydovou pryskyřicí (cca 2, 5 % váhového podílu) – tloušťky 6 -25 mm – široké použití

Materiály na bázi dřeva V. – Lepené lamelové dřevo – – maximální rozměry: š = 0, 24 m, v = 2, 0 m, d= 32, 0 m požární odolnost (sportovní haly, výstavní pavilony, stadiony) možnost vyztužení pomocí pásů s pevnými vlákny o tloušťce cca 2 mm pozornost třeba věnovat posouzení prvku na smyk

Výroba lepeného lamelového dřeva

Materiály na bázi dřeva VI. – Vrstvené dřevo Materiál podobný překližce, s většinou nebo všemi dýhami slepenými orientací vláken souběžně

Materiály na bázi dřeva VII. – Zahuštěné a modifikované dřevo Zahuštěné dřevo – změna struktury dřeva za účelem zvýšení objemové hmotnosti a pevnosti – při 140 -160 °C, tlaku 10 -15 MPa a rychlosti lisování 1 mm/min. ½ V – nový materiál: zhuštěné dřevo, zhuštěné překližky (cca 1400 kg·m -3) Modifikované dřevo – náhrada hydroxylové skupiny OH v molekulární struktuře dřeva většími methylovými skupinami CH 3 zvýšení odolnosti hmyzu, dřevokazným houbám, snížení bobtnání a sesychání – výroba oken, okenic, lepených prvků pro mostní konstrukce apod.

Zjišťování jakosti dřeva na stavební konstrukce Podle povahy a způsobu se metody testování jakosti dřeva dělí na: – destruktivní (průkazné zkoušky) – nedestruktivní (vizuální třídění, strojní třídění a další metody) Vizuální třídění Parametry na základě geometrického popisu a jiných charakteristik dřeva (různé druhy nebo skupiny dřevin, geografický původ, rozměrové požadavky, požadavky podle použití, jakost dostupného dřeva – sukovitost, letokruhy, odklon vláken, rozměry trhlin, zabarvení, hniloba, reakční-tlakové dřevo, smolné cysty, poškození hmyzem a cizopasnými rostlinami, zakřivení) Zakřivení dřevěných prvků 1 - podélné zakřivení, 2 - podélné zakřivení, 3 - zakřivení ve směru šířky, 4 - příčné zakřivení, 5 - šroubové zakřivení

Strojní třídění – korelace nějaké měřitelné veličiny (hustota, vlastní frekvence, elektrický odpor, odpor proti zaražení trnu, tvrdost, rychlost šíření vlnění, povaha akustické emise při zatížení, piezoelektrické vlastnosti, množství procházejícího RTG nebo jiného záření, optické vlastnosti, útlum vlastního kmitání apod. ) a hledané mechanickofyzikální vlastnosti (pevnost v ohybu, vlhkost, modul pružnosti apod. ) – předpoklad schopnosti přeměny a disipace (nevratná změnu formy energie) mechanismy určujícími skutečné statické chování materiálu – průmyslové třídicí stroje (rychlost posuvu 40 -300 m/min. ): mechanické, γ-záření, mikrovlnné techniky

Metody nedestruktivního testování dřeva

Destruktivní (průkazné) zkoušky dřeva – ověření skutečného chování dřeva, testování fyzikálních a mechanických vlastností podle příslušných předpisů – nejčastěji přímé stanovení fyzikálních a mechanických vlastností (pevnost v ohybu, tlaku a tahu rovnoběžně s vlákny, pevnost v tlaku a tahu kolmo ke směru vláken, pevnost ve smyku, modul pružnosti rovnoběžně s vlákny, modul pružnosti kolmo k vláknům, modul pružnosti ve smyku) – výsledky vystihují skutečnou jakost dřeva lépe než vizuální třídění – náročnost na technické vybavení (laboratoř, nelze provádět v terénu)

Navrhování dřevěných konstrukcí Návrh a provedení dřevěné konstrukce musí: – odpovídat užívání k požadovanému účelu (se zřetelem k předpokládané životnosti a pořizovacím nákladům) – odolávat zatížením a vlivům, které lze během provádění a užívání očekávat – vykazovat přiměřenou trvanlivost ve vztahu k nákladům na udržování Dřevěná konstrukce je spolehlivá, jestliže je: – únosná (namáhání prvků a spojů nepřekročí přípustné hodnoty) – tuhá (přetvoření konstrukce a jejích částí nepřekročí mezní hodnoty) – polohově stabilní (bezpečnost proti překlopení, posunutí a nadzdvihnutí) Řešení ochrany proti dřevěné konstrukce proti znehodnocení ohněm, hnilobou a dřevokazným hmyzem.

Metoda mezních stavů Po překročení MS konstrukce nesplňuje návrhové podmínky spolehlivosti Mezní stavy únosnosti (únosnost, překlopení, posunutí a nadzdvihnutí konstrukce) S d ≤ Rd (Sd - návrhová hodnota účinku zatížení; - Rd návrhová hodnota odolnosti/únosnosti) Mezní stavy použitelnosti (přetvoření a kmitání konstrukce) Sd. dst ≤ Rd, stb (Sd. dst - návrhová hodnota nepříznivých účinků zatížení; Rd, stb - návrhová hodnota příznivých účinků zatížení) Mezní stavy statické rovnováhy (přetvoření a kmitání konstrukce) Sd ≤ C d (Cd - předepsaná mezní hodnota; např. mezní hodnota průhybu) Ověření spolehlivosti konstrukce: metoda dílčích součinitelů zatížení a materiálů (nízká pravděpodobnost selhání konstrukce); použitím návrhových hodnot nutno prokázat, že mezní stavy nebudou dosaženy

Základní způsoby namáhání Platí pro prvky z rostlého nebo lepeného lamelového dřeva namáhané tahem, tlakem, ohybem, smykem, kroucením a kombinacemi těchto dílčích namáhání. U štíhlých prvků namáhaných tlakem a ohybem nutno ověřit podmínky stability. • • tah rovnoběžně s vlákny tah kolmo k vláknům tlak rovnoběžně s vlákny tlak pod úhlem k vláknům ohyb smyk kroucení (torze) kombinace základních typů namáhání

Rovinné dřevěné konstrukce přenášejí jen zatížení působící v jejich rovině. Zatížení kolmá na jejich rovinu se přenášejí do základů ztužidly. Prostorové dřevěné konstrukce přenášejí zatížení působící v libovolném směru až do základů, popř. uložení (ukotvení) konstrukce.

Sendvičové panely sestávají z tří vrstev: – vnější: tenké třískové nebo OSB desky, základní nosná funkce panelu) – vnitřní: zajišťuje zabezpečení vnějších vrstev a stabilitu proti vyboulení, izolační funkci (polyuretanová nebo polystyrenová pěna), přilepena k vnějším vrstvám po celé styčné ploše

Žebrové panely sestávají z žeber probíhajících ve směru rozpětí panelu a desek tvořících plášť panelu při horním a dolním okraji žeber. Žebra jsou z rostlého dřeva a pláště z desek na bázi dřeva (překližek, OSB desek, třískových a vláknitých desek, spoje mezi žebry a pláštěm panelu jsou lepené nebo připevněné spojovacími prostředky (hřebíky, sponky, vruty).

Nosníky Horizontální nosné konstrukční prvky pokládané na vertikální nosné konstrukční prvky (stěny nebo sloupy). Prostorová stabilita konstrukce vzniklá spojením nosníků a sloupů se zajišťuje ztužidly (zavětrováním). Ze statického hlediska – prosté, spojité, lomené Z konstrukčního hlediska – plnostěnné, příhradové, speciální Zajištění stability sloupů a nosníků

Příhradové nosníky Návrh jako rovinné prutové soustavy různého tvaru podle účelu použití, zatížení a možnosti provedení styčníků. Oproti plnostěnným nosníkům mají větší konstrukční výšku a jsou náročné na provedení spojů ve styčnících.

Plnostěnné nosníky Nižší konstrukční výška, jednoduché provedení, výroba z kusového, lepeného nebo mechanicky spojovaného dřeva.

Plnostěnné rámy Šroubované rámové rohy jsou vhodným provedením styku stojky a příčle v místě rámového rohu. Umožňují montáž konstrukce na staveništi v běžných podmínkách i následné rozebrání (kroužky, svorníky, kolíky, vruty, lepení).

Plnostěnné oblouky Výroba z lepeného lamelového dřeva, pro konstrukce s menším rozpětím.

Dřevěná střešní konstrukce Krov – nosná konstrukce střechy Přenos zatížení od vlastní tíhy, střešního pláště (záklop, laťování, izolační vrstvy, střešní krytina), sněhu, větru a případných dalších užitných zatížení do svislých nosných konstrukcí stavby.

Prostorové dřevěné konstrukce – neuvažuje se se spolupůsobením sousedních příčných vazeb (nosníků, rámů, oblouků), vaznic, zavětrování a střešního pláště – prvky konstrukce (plášť, vaznice, zavětrování) přenášejí jen vnější zatížení – působí v prostoru jako kompaktní celek, spolupůsobení všech prvků – stabilní při porušení jednotlivých prvků – pouze z impregnovaného dřeva – zaručují hospodárnost – vhodné pro konstrukce: s velkými otvory (hangáry), s obtížným zachycováním vodorovných sil stěnami nebo při špatných základech zastřešení objektů kruhového půdorysu nebo tvaru pravidelného mnohoúhelníku – nevhodné pro konstrukce nad vlhkými provozy v místech s úžlabí s hromaděním sněhu zastřešení vysokých prostor s malým rozpětím

Plnostěnné prostorové konstrukce – výroba vrstvením deskového řeziva křížem přes sebe ve 2 -3 vrstvách – spojování hřebíky nebo lepením do skořepiny – skořepiny: válcový, rotační, hyperbolicko-parabolický, elipticko-parabolický Příhradové prostorové konstrukce – – výroba z jednotlivých prutů (lamel) spojených do styčníků v prostoru výroba lamel z fošen nebo prken tloušťky > 24 mm příhradové kopule a klenby (válcová nosná plocha) svorníky pro styčníkové spoje lamelových konstrukcí

Spoje dřevěných konstrukcí I. Mechanické spojovací prostředky Ocelové spojovací prostředky: a) hřebíky, b) kolík, c) svorník, d) vruty, e) prstencový hmoždík, f) ozubený hmoždík, g) deska s prolisovanými trny

Spoje dřevěných konstrukcí II. Tesařské spoje: a) sraz, b) plátování, c) lípnutí, d) zapuštění, e) čepování, f) přeplátování, g) kampování, h) osedlání

Spoje dřevěných konstrukcí III. Lepené spoje – především u lepeného lamelového dřeva – lepené lamelové dřevo z prken/fošen tloušťky < 45 mm, různé délky – typický je zubovitý spoj jednotlivých kusů řeziva (nekonečná lamela)