ODDELEK ZA LESARSTVO
Peter FON
VARIABILNOST TOGOSTI IN TRDNOSTI KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA
D IP L O MS K O D EL O
Visokošolski strokovni študij 1. stopnje
Ljubljana, 2021
Peter FON
VARIABILNOST TOGOSTI IN TRDNOSTI KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA
D I P L O M S K O D E L O Visokošolski strokovni študij 1. stopnje
VARIABILITY OF STIFFNESS AND STRENGTH OF STRUCTURAL SAWN WOOD
B . S c . T H E S I S Proffesional Study Programmes
Ljubljana, 2021
Diplomsko delo je zaključek Visokošolskega strokovnega študija lesarstva Lesarsko inženirstvo - 1. stopnje. Delo je bilo opravljeno na Katedri za tehnologijo lesa, Oddelka za lesarstvo, Biotehniške fakultete, Univerze v Ljubljani.
Senat Oddelka za lesarstvo je za mentorja diplomskega dela imenoval izr. prof. dr. Aleša Stražeta, za somentorja viš. pred. mag. Bogdana Šego, za recenzenta pa je bil imenovan prof.
dr. Željko Gorišek.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednik:
Član:
Član:
Datum zagovora:
Peter Fon
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Dv1
DK UDK 630*832.181:630*812
KG les, konstrukcijski žagan les, vizualno razvrščanje, nedestruktivno testiranje, dinamične mehanske lastnosti lesa, hitrost zvoka
AV FON, Peter
SA STRAŽE, Aleš (mentor)/ŠEGA, Bogdan (somentor)/GORIŠEK, Željko (recenzent) KZ SI-1000 Ljubljana, Rožna dolina, cesta VIII/34
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Visokošolski strokovni študijski program Lesarsko inženirstvo
LI 2021
IN VARIABILNOST TOGOSTI IN TRDNOSTI KONSTRUKCIJSKEGA
ŽAGANEGA LESA
TD Diplomsko delo (Visokošolski strokovni študij - 1. stopnja) OP X, 32 str., 3 pregl., 32 sl., 3 pril., 19 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Smrekov konstrukcijski žagan les, dimenzij 3000 × 100 × 35 mm, smo po standardu DIN 4074-1 in EN 338 vizualno razvrstili v sortirne / trdnostne razrede S7 (C18), S10 (C24) in S13 (C30). Preizkušance smo po trdnosti razvrstili z analizo frekvenčnega odziva pri vzdolžnem nihanju še strojno. Na osnovi strukturnih značilnosti in prisotnih anomalij smo na posameznem preizkušancu določili in vzorčili najšibkejše in najmočnejše mesto, kjer smo ponovili analizo frekvenčnega odziva ter izvedli še statični porušni štiri-točkovni upogibni test. Raziskava je potrdila konzervativnejše razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa z vizualno metodo v primerjavi z dinamičnimi mehanskimi testi. Togost in trdnost konstrukcijskega žaganega lesa je značilno variirala, od nizkih vrednosti na šibkih mestih do visokih vrednosti, višjih od povprečnih vrednosti preizkušanca, na najmočnejših mestih. Upogibna trdnost konstrukcijskega lesa je bila na šibkih mestih vselej značilno višja od vrednosti, podane s trdnostnim razredom. Variabilnost upogibne trdnosti, togosti, gostote in zgradbe lesa se je z višanjem trdnostnega razreda konstrukcijskega lesa zmanjševala. Večja homogenost zgradbe preizkušancev iz višjih trdnostnih razredov je bila potrjena tudi s homogenostjo spektralnega odziva pri dinamičnih mehanskih testih. Upogibno trdnost preizkušancev, na mestih s in brez prisotnih strukturnih anomalij, smo enakovredno korelirali z dinamičnim in statičnim modulom elastičnosti.
KEYWORDS DOCUMENTATION ND Dv1
DC UDC 630*832.181:630*812
CX wood, structural sawn timber, visual timber grading, non-destructive testing, dynamic mechanical properties, sound velocity
AU FON, Peter
AA STRAŽE, Aleš (supervisor)/ŠEGA, Bogdan (co-advisor)/GORIŠEK, Željko (reviewer)
PP SI-1000 Ljubljana, Rožna dolina c. CIII/34
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Wood Science and Technology, Professional Study Programme in Wood Engineering
PY 2021
TY VARIABILITY OF STIFFNESS AND STRENGTH OF STRUCTURAL SAWN WOOD
DT B. Sc. Thesis (Professional Study Programmes) NO X, 32 p., 3 tab., 32 fig., 3 ann., 19 ref.
LA sl Al sl/en
AB According to DIN 4074-1 and EN 338, structural sawn spruce, dimensions 3000 × 100 × 35 mm, was visually classified into grading/strength classes S7 (C18), S10 (C24), and S13 (C30). By analyzing the frequency response in longitudinal vibration, the samples were additionally machine graded. Based on the structural properties and anomalies present, we determined and sampled the weakest and strongest point on each specimen, where we repeated the frequency response analysis and performed a four-point static bending test. The study confirmed a more conservative grading of structural sawn timber by the visual method compared to dynamic mechanical testing. The stiffness and strength of structural sawn timber typically varied, from low values at weak points to high values above the sample average at the strongest points. The bending strength of structural sawn timber at weak locations was always significantly higher than the value specified by the strength class. The variability of the bending strength, stiffness, density and structure of the wood decreased with increasing strength class of the structural timber. Greater homogeneity of the structure of specimens from higher strength classes was also confirmed by the homogeneity of frequency spectra in dynamic mechanical tests. The bending strength of the specimens, at locations with and without structural anomalies, correlated equally with the dynamic and static modulus of elasticity.
KAZALO VSEBINE
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... III KEYWORDS DOCUMENTATION ... IV KAZALO VSEBINE ... V KAZALO PREGLEDNIC ... VII KAZALO SLIK ... VIII KAZALO PRILOG ... X
1 UVOD ... 1
1.1 OPREDELITEV PROBLEMA ... 1
1.2 CILJI DIPLOMSKEGA DELA ... 1
1.3 DELOVNE HIPOTEZE ... 1
2 PREGLED LITERATURE ... 2
2.1 NEDESTRUKTIVNE METODE RAZVRŠČANJA LESA ... 2
2.1.1 Vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa skladno s standardom SIST DIN 4074-1 ... 2
2.1.2 Strojne metode razvrščanja konstrukcijskega žaganega lesa ... 4
2.1.2.1 Strojno razvrščanje z metodo meritve upogiba ... 4
2.1.2.2 Strojno razvrščanje na osnovi zvočnega valovanja ... 5
2.1.2.3 Razvrščanje na osnovi ultrazvočnega valovanja ... 7
2.1.2.4 Skeniranje lesa z gama žarki ... 7
3 MATERIALI IN METODE ... 9
3.1 IZBIRA IN PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV ... 9
3.2 METODE DELA ... 9
3.2.1 Merjenje in vizualna analiza velikih preizkušancev ter določanje gostote ... 9
3.2.2 Vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti .... 10
3.2.3 Razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti z dinamičnim mehanskim testom ... 12
3.2.4 Vizualno določanje trdnostno najšibkejših in najmočnejših mest v konstrukcijskem žaganem lesu ... 13
3.2.4.1 Dinamično mehansko testiranje majhnih preizkušancev... 13
3.2.4.2 Statično mehansko testiranje majhnih preizkušancev ... 14
4 REZULTATI IN RAZPRAVA... 16
4.1 VIZUALNA RAZVRSTITEV KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA PO TRDNOSTI ... 16
4.1.1 Kriteriji odločanja za vizualno razvrščanje konstrukcijskega lesa po
trdnosti in določitev najšibkejših mest ... 16
4.2 PRIMERJAVA RAZVRŠČANJA KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA PO TRDNOSTI Z VIZUALNO IN DINAMIČNO MEHANSKO METODO ... 17
4.3 VARIABILNOST FIZIKALNIH IN DINAMIČNIH MEHANSKIH LASTNOSTI KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA ... 21
4.3.1 Dinamične mehanske lastnosti na najšibkejših in najmočnejših mestih v konstrukcijskem žaganem lesu ... 21
4.4 PRIMERJAVA DINAMIČNIH IN STATIČNIH MEHANSKIH LASTNOSTI NA NAJŠIBKEJŠIH IN NAJMOČNEJŠIH MESTIH V KONSTRUKCIJSKEM ŽAGANEM LESU ... 25
5 SKLEPI ... 28
6 POVZETEK ... 29
7 VIRI ... 31
KAZALO PREGLEDNIC
Str.
Preglednica 1: Povezava vizualnega in trdnostnega razreda konstrukcijskega žaganega lesa na osnovi standarda SIST EN 1912 ... 10 Preglednica 2: Primer popisa relevantnih rastnih anomalij na preizkušancu, skladno s SIST
DIN 4074-1 ... 11 Preglednica 3: Gostota, dinamični in statični moduli elastičnosti ter upogibne trdnosti
razvrščene od najnižjega do najvišjega trdnostnega razreda. ( X = velik preizkušanec, X.1 = preizkušanec iz najšibkejšega mesta, X.2 = preizkušanec iz najmočnejšega mesta) ... 27
KAZALO SLIK
Slika 1: Merjenje venca grč in vpliva na nosilni prerez konstrukcijskega žaganega lesa
(SIST DIN 4074-1, 2009) ... 3
Slika 2: Vrednotenje zvitosti, loka in sloča pri konstrukcijskem žaganem lesu (SIST DIN 4074-1: 2009) ... 3
Slika 3: Določanje povprečne širine branik na čelu preizkušanca konstrukcijskega žaganega lesa (SIST DIN 4074-1: 2009) ... 4
Slika 4: Shema 4-točkovnega upogiba za merjenje upogibne deformacije in določitev globalnega modula elastičnosti ... 5
Slika 5: Princip zaporednega merjenja modula elastičnosti preizkušancev v tekočem traku (Metriguard CLT/HCLT). ... 5
Slika 6: Shema merjenja longitudinalnega širjenja valov vzdolž preizkušanca (Pellerin in Ross, 2002) ... 6
Slika 7: Merilna naprava Timber Grader MTG (Brookhius Applied Data Intelligence) ... 6
Slika 8: Industrijska merilnika dveh proizvajalcev; Dynalyse Precigrader (levo) in Microtec Viscan (desno) ... 7
Slika 9: Shema delovanja enosmernega ultrazvočnega sistema ... 7
Slika 10: Merilna naprava Goldeneye 700 (Microtec) ... 8
Slika 11: Izbira in oštevilčenje preizkušancev ... 9
Slika 12: Sestavljena fotografija preizkušanca št. 10 v 4 ravninah (zg. ploskev, desni rob, sp. ploskev, l. rob) ... 10
Slika 13: Merjenje zvoka in pospeška na čelu preizkušanca (levo) ter impulzno vzbujanje preizkušanca z udarnim kladivom (desno) ... 12
Slika 14: Vizualna določitev najšibkejšega (a) in najmočnejšega (b) mesta v velikem preizkušancu ... 13
Slika 15: Dinamično mehansko testiranje majhnih preizkušancev ... 13
Slika 16: Štiri-točkovno statično upogibno obremenjevanje majhnih preizkušancev na univerzalnem testirnem stroju Zwick Z100 ... 15
Slika 17: Zgornji pritisni valji z dodatnima kovinska ploščicama za preprečitev prečnih tlačnih porušitev majhnega preizkušanca ter nastanek loma na šibkem mestu preizkušanca ... 15
Slika 18: Delež preizkušancev v posameznem trdnostnem razredu, določenem vizualno . 16 Slika 19: Odločitveni kriterij - luknje insektov, ki preprečuje uvrstitev preizkušancev (4-1, 7-1, 8-1) v trdnostne razrede ... 17
Slika 20: Odločitveni kriterij – velikost grč, ki preprečuje (levo in desno) oz. določa (sredina, C18) trdnostni razred preizkušancev (16-1, 17-1, 20-1) ... 17
Slika 21: Odločitveni kriterij - venec grč, ki določa C18 - trdnostni razred preizkušancev (10-1, 13-1, 19-1) ... 17 Slika 22 Delež preizkušancev v posameznem trdnostnem razredu, določenem
nedestruktivno ... 18 Slika 23 Frekvenca porazdelitve gostote lesa (a) in dinamičnega modula preizkušancev (b),
s srednjo in karakteristično vrednostjo (5. percentil) ... 19 Slika 24: Primerjava razvrščanja preizkušancev v trdnostne razrede (X in Y os) po vizualni
in strojni metodi... 20 Slika 25: Variabilnost gostote lesa v preizkušancih iz posameznega trdnostnega razreda,
določena s srednjo vrednostjo za celotni preizkušanec, ter z gostoto na
najšibkejšem in najmočnejšem delu preizkušanca. ... 21 Slika 26: Variabilnost hitrosti zvoka v preizkušancih iz posameznega trdnostnega razreda,
določena s srednjo vrednostjo, določeno na celotnem preizkušancu, ter s hitrostjo na najšibkejšem in najmočnejšem delu preizkušanca. ... 22 Slika 27: Variabilnost dinamičnega modula elastičnosti v preizkušancih iz posameznega
trdnostnega razreda, določena s srednjo vrednostjo na celotnem preizkušancu, ter z dinamičnim modulom na najšibkejšem in najmočnejšem delu preizkušanca. ... 23 Slika 28: Vizualni izgled in izmerjen frekvenčni spekter pri vzdolžnem vzbujanju
preizkušancev na šibkem mestu iz najnižjega (Preizk. 9-1; a, c) in srednjega trdnostnega razreda (Preizk. 1-1; b, d). ... 24 Slika 29: Vizualni izgled in frekvenčni spekter pri vzdolžnem vzbujanju preizkušancev na
najmočnejšem mestu iz najnižjega (Preizk. 9-2; a, c) in srednjega trdnostnega razreda (Preizk. 1-2; b, d). ... 24 Slika 30: Primerjava dinamičnega in statičnega modula elastičnosti preizkušancev,
izmerjenega na najšibkejših (levo) in na najmočnejših mestih (desno). ... 25 Slika 31: Povezava med upogibno trdnostjo in statičnim in dinamičnim modulom
elastičnosti na šibkih (a, c) in najmočnejših mestih (b, d) v preizkušancih. ... 26 Slika 32: Variabilnost statičnega modula elastičnosti (levo) in upogibne trdnosti (desno) v
preizkušancih iz posameznih trdnostnih razredov... 27
KAZALO PRILOG
Priloga A: Podatki začetnih meritev in vizualnega razvrščanja Priloga B: Podatki hitrosti preleta zvoka
Priloga C: Optimalna, vizualna in strojna razvrstitev ter izmerjene gostote in rezultati statičnih in dinamičnih testov
1 UVOD
1.1 OPREDELITEV PROBLEMA
Pri žaganem lesu, ki ga uporabimo za izdelavo različnih vrst lesenih konstrukcij, moramo poznati njegove togostne in trdnostne lastnosti. Precizno določitev slednjih pa onemogočata znana variabilnost priraščanja ter anomalna zgradba lesa, ki se v lesenih konstrukcijskih elementih pogosto naključno pojavljata. Konstrukcijski žagan les, zlasti pri vizualnem razvrščanju, posledično uvrščamo v trdnostne razrede le z določanjem najšibkejših mest, tj. mest z največjimi zgradbenimi anomalijami. S takšnim načinom sicer zanesljivo opredelimo minimalno trdnost in togost elementov, ne dobimo pa informacij o razponu mehanskih lastnosti znotraj sortimentov, ter znotraj in med posameznimi trdnostmi razredi konstrukcijskega žaganega lesa. Navedena problematika pa je neraziskana tudi na področju strojnega razvrščanja konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti, kjer se standardno uporabljajo nekatere akustične metode.
1.2 CILJI DIPLOMSKEGA DELA
V raziskavi želimo pri konstrukcijskem žaganem lesu na osnovi prisotnih anomalij in variabilnosti priraščanja določati lokalno mehansko najšibkejša in najmočnejša mesta ter ga vizualno razvrščati po trdnosti. Dodatno želimo preveriti koreliranost vizualnih značilnosti preizkušancev s frekvenčnim odzivom pri dinamičnih mehanskih testih, ter konstrukcijski žagan les še strojno razvrstiti. Lokalno, na izbranih mestih, želimo pri konstrukcijskem žaganem lesu določiti še statične mehanske lastnosti in jih primerjati z dinamičnimi.
1.3 DELOVNE HIPOTEZE
- Variiranje zgradbe in mehanskih lastnosti konstrukcijskega žaganega lesa je večje pri elementih iz nižjih trdnostnih razredov.
- Nehomogenost materiala negativno vpliva na hitrost preleta zvoka ter znižuje vrednost modula elastičnosti in upogibne trdnosti konstrukcijskega žaganega lesa.
- Nehomogenost zgradbe konstrukcijskega žaganega lesa lahko potrdimo tudi z analizo frekvenčnega odziva.
- Togost konstrukcijskega žaganega lesa na lokalno najšibkejših in najmočnejših mestih lahko enakovredno določamo s statičnimi in dinamičnimi metodami.
2 PREGLED LITERATURE
Masivni žagani les, ki se uporablja v nosilnih gradbenih konstrukcijah, mora imeti definirane lastnosti, ki vplivajo na bistvene zahteve za objekte, v katere bo vgrajen. Gre predvsem za mehanske lastnosti (trdnost), pa tudi druge značilnosti (odpornost proti požaru, trajnost), opisane v evropskem standardu SIST EN 14081-1 (Srpčič in sod., 2010). Metode določanja mehanskih lastnosti, ki jih uporabimo pri izvajanju meritev, so lahko destruktivne in nedestruktivne.
2.1 NEDESTRUKTIVNE METODE RAZVRŠČANJA LESA
Po definiciji je nedestruktivna preiskava materiala metoda, s katero identificiramo fizikalne in mehanske lastnosti delov materiala na tak način, da ga ne poškodujemo.
Metode, s katerimi na nedestruktiven način razvrščamo les, razdelimo na vizualne in strojne.
2.1.1 Vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa skladno s standardom SIST DIN 4074-1
Vizualna metoda razvrščanja lesa je najstarejša in najpreprostejša metoda razvrščanja lesa. Z opazovanjem lesa ugotavljamo značilne lastnosti, kot so rastne anomalije, širina branik, mehanske poškodbe, poškodbe od insektov, barvne lastnosti, rastne posebnosti, ipd. Nekateri dvomijo o učinkovitosti razvrščanja z vizualno metodo, saj je precej odvisna od ocenjevalca in njegovih izkušenj. Za učinkovito razvrščanje je potreben izurjen ocenjevalec, ki dobro pozna značilnosti lesa ter pravila po katerih les ocenjuje.
Vizualno ocenjevanje pa ima pomanjkljivost, tj. da lahko opazujemo in ocenjujemo le zunanje površine lesa zato so rezultati vedno kakovostni in ne kvantitativni (količinski).
To je pomembna slabost vizualne metode razvrščanja masivnega žaganega lesa.
Kriterij razvrščanja veljajo pri 20 % vlažnosti lesa. Grče, zavitost vlaken, razpoke, gostota in hitrost rasti so značilnosti, ki močno vplivajo na trdnost lesa in jih merimo na najslabšem mestu preizkušanca. Dovoljena dimenzijska odstopanja morajo biti skladna s standardom SIST EN 336.
Podrobno preučujemo vence grč (Slika 1) in posamezne tipe grč, ki se lahko pojavijo na preizkušancih (krilate, ploskovne, robne, bočne). Grče s premerom manjšim od 5 mm se pri meritvah ne upošteva.
Slika 1: Merjenje venca grč in vpliva na nosilni prerez konstrukcijskega žaganega lesa (SIST DIN 4074- 1, 2009)
Na trdnost konstrukcijskega žaganega lesa oz. njegovo razvrščanje imajo velik vpliv še veženje lesa oz. zvitost kosa, lok ter sloč (Slika 2). Te kriterije merimo na dolžini 2000 mm, in na mestu, kjer so deformacije največje.
Slika 2: Vrednotenje zvitosti, loka in sloča pri konstrukcijskem žaganem lesu (SIST DIN 4074-1: 2009)
Z večanjem širine branike pri lesu iglavcev z zmerno toplega geografskega pasu praviloma pada gostota in z njo praviloma tudi elastomehanske lastnosti lesa (Gorišek, 2009). Povezava med širino branike in gostoto pa je močno odvisna tudi od področja kjer drevo raste, oz. od rastiščnih pogojev. Tako lahko ima les iz gorskih območij in skandinavski les kljub temu, da imata ozke branike, relativno nizko gostoto (Šega, 2005). Meritve širine branik se izvaja 25 mm stran od stržena, ker na ta način izločimo juvenilni les (Slika 3).
Slika 3: Določanje povprečne širine branik na čelu preizkušanca konstrukcijskega žaganega lesa (SIST DIN 4074-1: 2009)
Poleg zgoraj navedenih kriterijev razvrščanja preverjamo pri konstrukcijskem žaganem lesu tudi naklon vlaken, prisotnost razpok, lisičavost, obarvanost in trohnobo, kompresijski les ter poškodbe zaradi
prisotnosti insektov (11 str.,
Preglednica 2).
Žagani les, ki je vizualno razvrščen v sortirne razrede S7, S10 in S13 (iglavci oziroma LS10 in LS13 (listavci) v skladu s standardom, ki ustreza zahtevam SIST EN 14081-1, lahko na podlagi lesne vrste in njegovega izvora, preko povezave, ki jo najdemo v standardu SIST EN 1912, uvrstimo v trdnostne razrede, ki so definirani v SIST EN 338 (Šega, 2010).
2.1.2 Strojne metode razvrščanja konstrukcijskega žaganega lesa
Strojne metode za razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti se vse bolj uveljavljajo. Najpogostejše metode, ki se uporabljajo v industriji so štiri-točkovni upogib, tri-točkovno upogibno obremenjevanje med transportnimi valji, razvrščanje na osnovi frekvenčnega odziva, rentgenski žarki in ultrazvok (Pellerin in Ross, 2004).
Prednost strojnih metod je predvsem v hitrosti, objektivnosti in sledljivosti, nekatere enostavnejše pa lahko uporabljamo tudi v kombinaciji z vizualnim razvrščanjem lesa. V skladu s standardom lahko les, ki je vizualno razvrščen najmanj v razred S10 in hkrati izpolnjuje tudi zahteve za določene parametre (npr. gostota ali modul elastičnosti), ki jih ne moremo preveriti z prostim očesom, lahko pa jih ugotovimo npr. s tehtanjem in merjenjem lastne frekvence, razvrstimo v nov višji razred S15 (Šega, 2010).
2.1.2.1 Strojno razvrščanje z metodo meritve upogiba
Ker je ugotavljanje modula elastičnosti neporušna preiskava, lahko tudi iz tega podatka sklepamo o trdnosti vsakega preizkušanca. Preizkušanec podremo na dveh podporah z medsebojno razdaljo (18h), (h) predstavlja višino preizkušanca, ter obremenimo z enakima silama na tretjinah razpona z vsake strani. Merimo pomik na sredini razpona (SIST EN 408:2010+A1:2012, Dobnikar 2012) (Slika 4).
Slika 4: Shema 4-točkovnega upogiba za merjenje upogibne deformacije in določitev globalnega modula elastičnosti
V lesno predelovalnih obratih se ponekod uporablja valjčni sistem obremenjevanja med transportom, ki deluje na principu tekočega traku. Preizkušanci potujejo po traku eden za drugim, naprava zazna debelino ter pomik ob določeni sili, iz česar avtomatično izračuna modul elastičnosti za vsak preizkušanec (Slika 5).
Slika 5: Princip zaporednega merjenja modula elastičnosti preizkušancev v tekočem traku (Metriguard CLT/HCLT).
2.1.2.2 Strojno razvrščanje na osnovi zvočnega valovanja
Metoda vzdolžnega nihanja z analizo frekvenčnega odziva se je v industriji začela uporabljati proti koncu 20. stoletja. Metoda temelji na osnovni zvezi med dinamičnim modulom elastičnosti (E) preizkušanca in njegovo gostoto ter lastno frekvenco in dolžino, s katerima določamo hitrost preleta zvoka (E = ρ∙4∙L2∙f2). Največkrat merimo le lastno frekvenco v 1. in 2. nihajnem načinu. Frekvenco lahko merimo neposredno s piezoelektričnim pospeškomerom (Pellerin in Ross, 2002) (Slika 6).
Slika 6: Shema merjenja longitudinalnega širjenja valov vzdolž preizkušanca (Pellerin in Ross, 2002)
Najbolj pogosto uporabljena ročna naprava, ki deluje na principu analize frekvenčnega odziva je MTG Timber Grader (Slika 7). Naprava ima vgrajeno mehansko vzbujevalno kladivo ter mikrofon. Napravo postavimo na konec preizkušanca, s pritiskom na gumb naprava sproži kladivce in s tem zvočni val skozi preizkušanec. Signal zajame mikrofon, program pa analizira signal (FFT), kjer na osnovi izmerjene gostote lesa s tehtanjem ter frekvence izračuna hitrost preleta zvoka in modul elastičnosti ter razvrsti preizkušanec v trdnostni razred (SIST EN 338: 2016). Pri izvajanju meritev nam lahko delo otežuje hrup okolice, ki interferira z mikrofonom naprave.
Slika 7: Merilna naprava Timber Grader MTG (Brookhius Applied Data Intelligence)
V industrijskih okoljih, kjer je veliko hrupa, se uporablja naprave, ki vzbudijo preizkušance na čelu s pnevmatskim kladivom, vgrajen laserski vibrometer pa izmeri lastno frekvenco nihanja (Precigrader, Viscan, mtgBATCH, mtgEscan) (Slika 8).
Slika 8: Industrijska merilnika dveh proizvajalcev; Dynalyse Precigrader (levo) in Microtec Viscan (desno)
2.1.2.3 Razvrščanje na osnovi ultrazvočnega valovanja
Valovanje lahko vzbudimo bodisi z udarnim kladivom, bodisi z ultrazvokom. Princip pri ultrazvočnih napravah je isti, le da ultrazvok deluje pri višjih frekvencah (Slika 9).
Pri ultrazvočnih napravah imamo lahko sprejemno in oddajno sondo ločeno (enojni prelet), kadar pa sta združeni, govorimo o t.i. dvojnem preletu (Ross in Pellerin 2004, Dobnikar, 2012). Prednost ultrazvoka je, da lahko deluje na manjši površini oz. prerezu, zato se lahko uporablja lokalno, zlasti za odkrivanje anomalij. V ta namen ga lahko uporabljamo tudi pri lesnih kompozitih, pri masivnem lesu pa odkriva tudi rastne anomalije, saj se signal od nepravilnosti odbija nazaj k oddajniku, ali pa do sprejemnika prispe šibkejši signal.
Slika 9: Shema delovanja enosmernega ultrazvočnega sistema
2.1.2.4 Skeniranje lesa z gama žarki
Komercialno najbolj poznane naprave, ki razvrščajo les na osnovi merjenja z gama žarki, so naprave serije Goldeneye podjetja Microtec (Slika 10). To so industrijski stroji visokih zmogljivosti skeniranja (do 450 m/min), ki s kombinacijo senzorjev, gama žarkov, laserjev in kamer zelo natančno določijo velikost in razporeditev anomalij v hlodovini ter žaganem lesu ter gostoto lesa. S pomočjo obsežne baze z znanimi mehanskimi lastnostmi lesa glede na velikost in razporeditev anomalij, naprava omogoča še oceno modula elastičnosti, oceno mehanskih lastnosti lesa ter razvrščanje v trdnostne razrede.
Slika 10: Merilna naprava Goldeneye 700 (Microtec)
3 MATERIALI IN METODE
3.1 IZBIRA IN PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV
Za testiranje smo uporabili smrekov (Picea abies Karst.) konstrukcijski žagan les dolžine 3000 mm, ki smo ga izbrali na skladišču glede na vizualne karakteristike posameznih elementov. Les je bil po razrezu posušen na povprečno vlažnost 11%.
Preizkušance smo na čelu in ploskvah oštevilčili po naključnem vrstnem redu od 1 do 21 (Slika 11). Preizkušance smo pred testiranji 1 mesec uravnovešali v laboratoriju v normalnih klimatskih pogojih (T = 20 °C, ϕ = 65 %).
Slika 11: Izbira in oštevilčenje preizkušancev
3.2 METODE DELA
Kot prvi test smo opravili vizualno določanje trdnostnega razreda posameznih preizkušancev (Pogl. 3.2.2), ki smo jim tudi izbrali in označili najšibkejša ter najmočnejša mesta. Nato smo preizkušance vzbujali v vzdolžni smeri, za določanje dinamične togosti (Pogl. 3.2.3). Po opravljanem vzdolžnem mehanskem vzbujanju za določitev dinamične togosti smo izžagali najšibkejša in najmočnejša mesta kjer smo ponovno izvedli dinamično testiranje v vzdolžni smeri na manjših preizkušancih (Pogl.
3.2.4.1). Na koncu smo manjše preizkušance še statično testirali s štiri-točkovnim upogibnim testom (SIST EN 408: 2010+A1:2012).
3.2.1 Merjenje in vizualna analiza velikih preizkušancev ter določanje gostote Preizkušancem smo izmerili maso in dimenzije (dolžina, širina, debelina) ter izračunali povprečno gostoto. Z električnim merilnikom vlažnosti smo preverili vlažnost preizkušancev, ki je povprečno znašala med 9 in 11 %. Maso smo izmerili na laboratorijski tehtnici (Exacta 300; Δm = ± 0,1 g), dimenzije pa smo določili z digitalnim kljunastim merilom na stotinko milimetra natančno (Δx = ± 0,01 mm). Nominalne dimenzije preizkušancev so bile sledeče; dolžina 3000 mm, širina 100 mm, debelina 35 mm. Povprečno gostoto preizkušancev smo izračunali iz mase in dimenzij (En. 1).
𝜌 = 𝑚
𝑙 ∙ 𝑏 ∙ 𝑑 …(1)
ρ … gostota preizkušanca [kg/m3], m …masa preizkušanca [kg], d … debelina preizkušanca [m], b … širina preizkušanca [m] in l … dolžina preizkušanca [m].
Po opravljenih meritvah smo vse preizkušance fotografirali s štirih strani (zg. ploskev, leva ploskev, sp. ploskev in desna ploskev), z ločljivostjo 4032 × 2268 točk, za enostavnejši pregled in možnost tudi kasnejšega vizualnega razvrščanja s pomočjo fotografij (Slika 12).
Slika 12: Sestavljena fotografija preizkušanca št. 10 v 4 ravninah (zg. ploskev, desni rob, sp. ploskev, l.
rob)
3.2.2 Vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti
Konstrukcijski žagan les smo razvrščali v trdnostne razrede skladno s standardom SIST DIN 4074-1. Na voljo smo imeli 21 desk različne kakovosti, ki smo jih vizualno pregledali in uvrstili v enega od sortirnih razredov (S7, S10 ali S13), nato pa preko povezave (SIST EN 1912: 2012/AC:2013) določili še trdnostne razrede (SIST EN 338:
2016)(Preglednica 1).
Preglednica 1: Povezava vizualnega in trdnostnega razreda konstrukcijskega žaganega lesa na osnovi standarda SIST EN 1912
Razred
glede na SIST DIN 4074-1 Trdnostni razred glede na SIST EN 338
S7 C18
S10 C24
S13 C30
Na preizkušancih smo analizirali vse relevantne rastne anomalije. Preverjali smo grče, zavitost vlaken, prisotnost stržena, širino branik, pojav razpok, lisičavost, ukrivljenost, obarvanost, trohnobo, kompresijski les in napad insektov. Z ocenjevanjem in izvajanjem meritev smo lahko vsak posamezni preizkušanec na podlagi naštetih kriterijev razvrstili v enega od razredov S7, S10 ali S13, ki jih predpisuje standard SIST DIN 4074-1 ( Preglednica 2Preglednica 1).
Preglednica 2: Primer popisa relevantnih rastnih anomalij na preizkušancu, skladno s SIST DIN 4074-1
Evropski standard EN 14081-1 do 4 zahteva razvrščanje v trdnostne razrede po standardu SIST EN 338. Vizualne razrede, ki smo jih ocenili s standardom SIST DIN 4074-1:2009 smo tako pretvorili v trdnostne razrede SIST EN 338, to pa smo storili na osnovi standarda SIST EN 1912.
Velja poudariti, da se nismo striktno držali standarda razvrščanja, saj ta predpisuje, določevanje vizualnih lastnosti kot je veženje in razpoke nastale zaradi strele pri 20%
vlažnosti. Naši preizkušanci so bili tehnično posušeni na 9 oz. 11 % vlažnost.
3.2.3 Razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti z dinamičnim mehanskim testom
Preizkušance smo postavili na dve elastični podpori, 300 mm oddaljeni od čel preizkušanca. Na eno čelo preizkušanca smo pritrdili pospeškomer (PCB 352C33) in približali kondenzatorski mikrofon (PCB 130E20), na drugi strani pa smo preizkušanec impulzno vzbudili s kladivom. Pred pričetkom izvajanja meritev smo preverili nastavitve pospeškomera, mikrofona in kartice za zajem signalov (NI 9234) ter programske opreme za obdelavo podatkov (NI LabView).
Slika 13: Merjenje zvoka in pospeška na čelu preizkušanca (levo) ter impulzno vzbujanje preizkušanca z udarnim kladivom (desno)
Iz dobljenih signalov smo s hitro Fourierjevo transformacijo (FFT) določili lastno frekvenco nihanja v vzdolžni smeri preizkušancev (f). S pomočjo določene lastne frekvence, v osnovnem ter v višjih nihajnih načinih, smo določili hitrost zvoka oz.
mehanskih vibracij (v) vzdolž preizkušanca (En. 2). Dinamični modul elastičnosti (Ed) smo določili s produktom gostote preizkušancev in kvadrata hitrosti zvoka (En. 3).
𝑣 =2𝐿
𝑛 ∙ f𝑛 …(2)
ν… hitrost valovanja [m/s], l… dolžina deske [m], n… nihajni način,
fn… lastna frekvenca [s-1].
𝐸𝑑 = 𝜌 ∙ 𝑣2 …(3)
Ed… dinamični modul elastičnosti [N/mm2], ρ… gostota lesa [kg/m3],
ν… hitrost valovanja [m/s].
Z izračunanim dinamičnim modulom elastičnosti ter gostoto preizkušanca smo na osnovi standarda SIST EN 338 preizkušanec uvrstili v trdnostni razred. Za uvrstitev v trdnosti razred smo uporabili oba kriterija, tj. izmerjen dinamični modul ter gostoto, pri čemer je bil odločujoč kriterij manjša vrednost od obeh (Preglednica 7 v standardu SIST EN 338).
3.2.4 Vizualno določanje trdnostno najšibkejših in najmočnejših mest v konstrukcijskem žaganem lesu
Po opravljenem razvrščanju konstrukcijskega žaganega lesa smo na vsakem preizkušancu izbrali in označili najšibkejše ter najmočnejše mesto. Ta mesta smo izbrali kot sredino, oz. lokacijo največjega upogibnega momenta pri statičnem mehanskem testiranju malih preizkušancev. Na teh mestih smo nato skrojili elemente na dolžino 700 mm, ter jih označili (x.1 – majhen preizkušanec s šibkega mesta; x.2 – majhen preizkušanec z najmočnejšega mesta).
(a) (b) Slika 14: Vizualna določitev najšibkejšega (a) in najmočnejšega (b) mesta v velikem preizkušancu
3.2.4.1 Dinamično mehansko testiranje majhnih preizkušancev
Dinamično mehansko testiranje majhnih preizkušancev, ki so bili izdelani na lokacijah najšibkejših in najmočnejših mest v konstrukcijskem žaganem lesu, smo izvajali na enak način kot pri velikih preizkušancih. Podpore so bile na oddaljenosti 50 mm od čela majhnih preizkušancev (Slika 15). Izmerili smo dimenzije in maso majhnih preizkušancev ter določili gostoto (En. 1). Hitrost in dinamični modul elastičnosti smo določali po enačbah 2 in 3.
Slika 15: Dinamično mehansko testiranje majhnih preizkušancev
3.2.4.2 Statično mehansko testiranje majhnih preizkušancev
Merjenje upogibnih mehanskih lastnosti majhnih preizkušancev smo izvedli na univerzalnem testirnem stroju Zwick Z100. Podatke smo obdelali z računalniškim programom TestXpert (Slika 16).
Posamičen preizkušanec smo postavili na sredino, med spodnji valjčni podpori (D = 30 mm), ki sta bili postavljeni na razdalji 630 mm. Na zgornji strani smo na orodje stroja namestili dva zgornja pritisna valja (D = 30 mm), na razdalji 210 mm. Med valjčne podpore in preizkušanec smo postavili kovinske ploščice. S tem smo podporam preprečili, da bi se ugreznile v površino preizkušancev (Slika 17). Na polovici dolžine smo pod spodnjo ploskev preizkušanca postavili merilnik pomika, ki je bil direktno v stiku s površino preizkušanca. Ko so se preizkušanci upognili za 7 mm, smo merilnik odstranili in stroj je od tam naprej beležil upogibno deformacijo preizkušancev glede na pomik zgornjih pritisnih valjev. Upogibni statični test smo izvajali skladno s standardom SIST EN 408. Modul elastičnosti smo določali z merjenjem upogibne deformacije z merilca pomika ter sile obremenjevanja (En. 4444):
𝐸𝑠 = 𝑙3(𝐹2− 𝐹1) 𝑏ℎ3(𝑤2− 𝑤1)[(3𝑎
4𝑙) − (𝑎 𝑙)
3
] …(4)
Oznake:
Es… statični modul elastičnosti [N/mm2], w1… deformacija pri F1 [mm],
w2… deformacija pri F2 [mm], F1… 10 % porušne sile [N], F2… 40 % porušne sile [N], l… razdalja med podporama[mm], b… širina preizkušanca [mm], h… debelina preizkušanca [mm],
a… razdalja med mestom obremenjevanja in najbližjo podporo[mm].
Slika 16: Štiri-točkovno statično upogibno obremenjevanje majhnih preizkušancev na univerzalnem testirnem stroju Zwick Z100
Pri upogibnem statičnem mehanskem testiranju smo določili tudi največjo silo pri obremenitvi, ter po definicijski enačbi določili upogibno trdnost (En. 5). Do loma preizkušancev je vselej prihajalo no lokacijah med notranjima pritisnima valjema (Slika 17).
𝑓𝑚 = 3 ∗ 𝐹 ∗ 𝑎
𝑏 ∗ ℎ2 (5)
fm… upogibna trdnost [N/mm2], F… porušna sila [N],
a… razdalja med mestom obremenjevanja in najbližjo podporo [mm], b… širina preizkušanca [mm],
h… višina preizkušanca [mm].
Slika 17: Zgornji pritisni valji z dodatnima kovinska ploščicama za preprečitev prečnih tlačnih porušitev majhnega preizkušanca ter nastanek loma na šibkem mestu preizkušanca
4 REZULTATI IN RAZPRAVA
4.1 VIZUALNA RAZVRSTITEV KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA PO TRDNOSTI
V raziskavi smo na osnovi vizualne ocene elemente razvrstili v 3 trdnostne razrede. Kar 28,6 % preizkušancev zaradi prisotnih anomalij, katerih velikost je presegala kriterije razvrščanja, nismo mogli trdnostno razvrstiti (Slika 18). Največji delež preizkušancev smo uvrstili v razred C18 (38,1 %), v razred C24 smo uvrstili 19,0 % preizkušancev, v razred C30 pa 14,3 % preizkušancev.
Slika 18: Delež preizkušancev v posameznem trdnostnem razredu, določenem vizualno
4.1.1 Kriteriji odločanja za vizualno razvrščanje konstrukcijskega lesa po trdnosti in določitev najšibkejših mest
Ugotovili smo, da je najpogostejši odločitveni kriterij za vizualno razvrščanje preizkušancev v trdnostni razred velikost grče ter venec grč, pri nekaterih preizkušancih pa tudi velikost lukenj insektov (Slika 19). Velikost grč je v več primerih značilno zmanjševala nosilni del prereza preizkušancev (≤ 1/5; ≤ 2/5; ≤ 3/5) (Slika 20).
Najpogostejši odločitveni kriterij pa so bili venci grč, ki so se pojavili na osmih preizkušancih in jim znižali trdnostni razred oz. v enem primeru se preizkušanec zaradi kritičnega venca grč ni uvrstil v noben trdnostni razred (Slika 21)(Priloga A
).
Slika 19: Odločitveni kriterij - luknje insektov, ki preprečuje uvrstitev preizkušancev (4-1, 7-1, 8-1) v trdnostne razrede
Slika 20: Odločitveni kriterij – velikost grč, ki preprečuje (levo in desno) oz. določa (sredina, C18) trdnostni razred preizkušancev (16-1, 17-1, 20-1)
Slika 21: Odločitveni kriterij - venec grč, ki določa C18 - trdnostni razred preizkušancev (10-1, 13-1, 19-1)
4.2 PRIMERJAVA RAZVRŠČANJA KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA
PO TRDNOSTI Z VIZUALNO IN DINAMIČNO MEHANSKO METODO Z dinamičnim oz. nedestruktivnim mehanskim testiranjem konstrukcijskega žaganega lesa smo ugotovili, da vsi preizkušanci dosegajo kriterije za uvrstitev v trdnostni razred po standardu SIST EN 338 (če ne upoštevamo naknadne vizualne ocene, ki jo zahteva standard SIST EN 14081-1), medtem ko pri vizualnem razvrščanju skoraj 30 % preizkušancev nismo mogli uvrstiti v noben trdnostni razred.
Največji delež preizkušancev (28,6 %) smo z dinamičnimi testi uvrstili v trdnostni razred C50, kar predstavlja enak delež kot v primeru neuvrščenih preizkušancev pri vizualnem razvrščanju (28,6 %). Najmanj preizkušancev se je uvrstilo v trdnostna razreda C24 in C27 (4,8 %). Precej majhen je tudi delež preizkušancev razvrščenih v trdnostna razreda C14 (9,5 %) in C16 (9,5 %) v primerjavi z vizualnim razvrščanjem
(38,1 %). V trdnostni razred C35 se je uvrstil enak delež preizkušancev kot pri vizualnem razvrščanju razreda C30 (14,3 %), nekoliko več preizkušancev se je z dinamičnim preizkusom uvrstilo v razred C30 (19,0 %) (Slika 22).
Slika 22 Delež preizkušancev v posameznem trdnostnem razredu, določenem nedestruktivno
Rezultati so pokazali, da je pri razvrščanju z dinamično mehansko metodo razpon razvrščanja večji. Kar 28,6 % preizkušancev, ki jih po vizualni metodi nismo uvrstili v noben trdnostni razred, smo dinamično mehansko razvrstili v razrede od C16, pa vse do C50 (Slika 24). Z dinamičnimi testi smo dva preizkušanca, ki sta ostala pri vizualnem razvrščanju brez razvrstitve, uvrstili v trdnostni razred C16, po en preizkušanec pa v razrede C30, C35, C40, in C50.
Za neposredno primerjavo obeh metod razvrščanja, pa je nujno uporabiti enako izhodišče. Glede na to, da se vizualno konstrukcijski les razvršča na osnovi najšibkejših mest, z upoštevanjem, da le največ 5% preizkušancev ne izpolnjuje kriterijev, smo enak statistični princip preverili tudi pri dinamičnih meritvah. Ugotovili smo, da je njihova povprečna gostota lesa znašala 445,2 kg/m3 (koeficient variacije = 10,0 %; Slika 23).
Pri preverjanju porazdelitve gostote lesa pa smo ugotovili, da se le ta porazdeljuje normalno, gostota na 5-percentilu porazdelitve pa znaša 384 kg/m3.
Slika 23 Frekvenca porazdelitve gostote lesa (a) in dinamičnega modula preizkušancev (b), s srednjo in karakteristično vrednostjo (5. percentil)
Pri frekvenci porazdeljevanja dinamičnega modula elastičnosti preizkušancev smo prav tako potrdili normalno porazdeljevanje. Vrednost dinamičnega modula elastičnosti na 5. percentilu porazdelitve je znašala 7,75 GPa, srednja vrednost pa je bila 13,26 GPa (koeficient variacije = 25,90 %).
Če karakteristični vrednosti za gostoto lesa in dinamični modul elastičnosti primerjamo s podatki o trdnostnih razredih v standardu (SIST EN 338: 2016) ugotovimo, da bi lahko testirane preizkušance uvrstili v trdnostni razred C27. Zaradi majhnega števila preizkušancev pa bi bilo potrebno indikativne vrednosti še dodatno korigirati in znižati, kar opredeljuje standard SIST EN 384. S tem bi se porazdeljevanje preizkušancev v trdnostne razrede po dinamični in statični metodi zelo približalo.
Sicer smo vizualno največ preizkušancev razvrstili v razred C18, z dinamičnim testom pa smo teh 8 preizkušancev razvrstili po enega v vsakega od trdnostnih razredov (C14 do C50). V razred C24 smo vizualno uvrstili 4 preizkušance, ki pa so se z dinamičnim testom uvrstili v razrede C14, C35 (2 preizkušanca), in C50. Tri preizkušance, ki smo jih vizualno uvrstili v trdnostni razred C30 smo z dinamičnim testom uvrstili v najboljši trdnostni razred C50 (Slika 24).
Poudariti je potrebno, da pri strojnem razvrščanju preizkušance nismo razvrščali v predhodno definirane kombinacije trdnostnih razredov, pač pa smo posamezni
preizkušanec razvrstili tako, da smo njegov izračunani dinamični modul primerjali s kriteriji za povprečni modul elastičnosti, ki so podani v standardu SIST EN 338.
Slika 24: Primerjava razvrščanja preizkušancev v trdnostne razrede (X in Y os) po vizualni in strojni metodi
Razvrstitev preizkušancev v optimalne razrede – ob upoštevanju zahtev standarda SIST EN 384 in kombinaciji trdnostnih razredov C30-C24-C18 – je pokazala, da kar 18 preizkušancev (več kot 85 %) sodi v razred C30. Na tem mestu velja še enkrat izpostaviti, da je odvzeti vzorec konstrukcijskega žaganega lesa majhen in da ne pokrije enakovredno vseh trdnostnih razredov lesa (5. percentil gostote uvršča celoten vzorec v razred C30). Gre torej za razmeroma grčav les z višjo gostoto. Zaradi visoke gostote lesa so moduli elastičnosti visoki; večja grčavost pri žaganem lesu vitkega prečnega prereza pa se odraža v velikem deležu vizualno razvrščenega lesa nizkih trdnostnih razredov.
4.3 VARIABILNOST FIZIKALNIH IN DINAMIČNIH MEHANSKIH LASTNOSTI KONSTRUKCIJSKEGA ŽAGANEGA LESA
4.3.1 Dinamične mehanske lastnosti na najšibkejših in najmočnejših mestih v konstrukcijskem žaganem lesu
Gostota preizkušancev je v splošnem naraščala z višanjem trdnostnega razreda. Najnižjo gostoto smo zabeležili pri preizkušancih trdnostnega razreda C14, nekoliko višjo pa v razredih od C16 do C35 (Priloga C
). V trdnostnih razredih C40 in C50, pa je bila gostota preizkušancev najvišja, in se je značilno razlikovala od tistih v nižjih trdnostnih razredih (t-test; p < 0,05). Znotraj trdnostnih razredov ugotavljamo, da je variabilnost gostote manjša v višjih trdnostnih razredih, tj. v razredih od C30 do C50. Slednje povezujemo z bolj homogeno zgradbo preizkušancev v teh razredih. Preizkušanci z višjo gostoto so imeli precej manj, ali pa so bili brez prisotnih rastnih anomalij (Slika 25).
Izmerjen razpon gostote preizkušancev, od 350 kg/m3 do 550 kg/m3 se sklada s podatki iz literature za gostoto smrekovine (Gorišek, 2009). Sorodne raziskave dinamičnih in statičnih mehanskih lastnosti konstrukcijskega žaganega lesa so prav tako potrdile veliko variabilnost gostote lesa. Predhodne raziskave tudi kažejo, da je povprečna gostota lesa pozitivno korelirana z modulom elastičnosti, kot tudi z upogibno trdnostjo preizkušancev (Srpčič in sod., 2010).
Slika 25: Variabilnost gostote lesa v preizkušancih iz posameznega trdnostnega razreda, določena s srednjo vrednostjo za celotni preizkušanec, ter z gostoto na najšibkejšem in najmočnejšem delu
preizkušanca.
Z višanjem trdnostnega razreda je v splošnem naraščala tudi hitrost zvoka v preizkušancih (Priloga B
). Najnižje hitrosti, značilno nižje v povprečju od ostalih skupin, smo izmerili pri preizkušancih v trdnostnih razredih C14 in C16 (Slika 26). Največje variiranje hitrosti preleta zvoka v vzdolžni smeri preizkušancev smo prav tako izmerili v nižjih in srednjih
trdnostnih razredih (C14, C16, C24, C27 in C30). Najmanjše variiranje hitrosti zvoka, izmerjene na najšibkejših in najmočnejših mestih, pa smo določili pri preizkušancih v višjih trdnostnih razredih (C35, C40 in C50).
Primerljive vrednosti hitrosti zvoka v smrekovini so določili tudi drugi avtorji (Halachan in sod., 2016), kjer so zabeležili nižje hitrosti zvoka pri preizkušancih iz nižjih trdnostnih razredov (razredi C14, C16, C20, C27, z gostoto nižjo od 450 kg/m3). Višje hitrosti in variiranje zvoka so zabeležili v preizkušancih iz srednjih trdnostnih razredov (C30 in C35, s povprečno gostoto 450 kg/m3). Najmanjše variiranje hitrosti zvoka pa so zabeležili pri preizkušancih iz višjih trdnostnih razredov (C40 in C50, z gostoto nad 500 kg/m3).
Slika 26: Variabilnost hitrosti zvoka v preizkušancih iz posameznega trdnostnega razreda, določena s srednjo vrednostjo, določeno na celotnem preizkušancu, ter s hitrostjo na najšibkejšem in najmočnejšem
delu preizkušanca.
Iz gostote lesa in hitrosti zvoka smo izračunali povprečne dinamične module elastičnosti preizkušancev ter dinamične module majhnih preizkušancev po krojenju, na lokacijah šibkih in najmočnejših mest. Kot pričakovano, se je dinamični modul povečeval z višanjem trdnostnega razreda preizkušancev. Najnižje vrednosti so imeli preizkušanci v razredih C14 in C16, višje a podobne pa v razredih C24 do C35, najvišje pa v razredih C40 in C50 (Slika 27). Primerljive vrednosti modula elastičnosti, določenega z isto metodo, navajajo tudi drugi avtorji (Srpčič in sod., 2010; Gornik Bučar in Bučar, 2009), kjer so izmerili modul elastičnosti v razponu od 7500 N/mm2 pa vse do 22000 N/mm2. Variiranje dinamičnega modula elastičnosti preizkušancev je bilo podobno kot pri testiranju njihove gostote ter preleta zvoka. Največje razlike v modulih elastičnosti smo zabeležili v nižjih in srednjih trdnostnih razredih (C14 do C30), manjša nihanja pa v trdnostnih razredih C35, C40 in C50.
Slika 27: Variabilnost dinamičnega modula elastičnosti v preizkušancih iz posameznega trdnostnega razreda, določena s srednjo vrednostjo na celotnem preizkušancu, ter z dinamičnim modulom na
najšibkejšem in najmočnejšem delu preizkušanca.
Pri vzdolžnem vzbujanju preizkušancev smo na lokacijah najšibkejših in najmočnejših mest zaznali tudi razlike v frekvenčnih spektrih zvočnega signala. Na najšibkejših mestih smo zaznali večje število frekvenc nihanja v bližini osnovne frekvence, kar pripisujemo prisotnosti anomalij, zlasti grč in posledičnemu odklonu smeri poteka lesnih vlaken (Slika 28). Na lokacijah najmočnejših mest istih preizkušancev, kjer nismo zaznali vidnih strukturnih anomalij lesa, pa smo na frekvenčnih spektrih ugotovili le osnovno frekvenco nihanja ter višje harmonične frekvence (Slika 29).
Slika 28: Vizualni izgled in izmerjen frekvenčni spekter pri vzdolžnem vzbujanju preizkušancev na šibkem mestu iz najnižjega (Preizk. 9-1; a, c) in srednjega trdnostnega razreda (Preizk. 1-1; b, d).
Slika 29: Vizualni izgled in frekvenčni spekter pri vzdolžnem vzbujanju preizkušancev na najmočnejšem mestu iz najnižjega (Preizk. 9-2; a, c) in srednjega trdnostnega razreda (Preizk. 1-2; b, d).
4.4 PRIMERJAVA DINAMIČNIH IN STATIČNIH MEHANSKIH LASTNOSTI NA NAJŠIBKEJŠIH IN NAJMOČNEJŠIH MESTIH V KONSTRUKCIJSKEM ŽAGANEM LESU
Ugotovili smo, da sta izmerjena dinamični in statični modul elastičnosti preizkušancev dobro povezana. Linearno regresijsko zvezo smo potrdili na najšibkejših in najmočnejših delih preizkušancev, pri slednjih pa je bila povezanost močnejša (Slika 30). Zdi se, da lahko togost lesa dobro določamo že kar samo z merjenjem dinamičnega modula elastičnosti. Tudi sorodne raziskave potrjujejo povezanost statičnega in dinamičnega modula elastičnosti (Srpčič in sod., 2010; Gornik Bučar in Bučar, 2009).
Iz spodnje slike je razvidno večje variiranje dinamičnega in statičnega modula pri nižjih vrednostih, kjer imajo preizkušanci izrazitejše rastne anomalije. Variiranje je bilo manjše pri višjih vrednostih modulov elastičnosti, ter na najmočnejših mestih, kjer so bili preizkušanci bolj homogeni.
Slika 30: Primerjava dinamičnega in statičnega modula elastičnosti preizkušancev, izmerjenega na najšibkejših (levo) in na najmočnejših mestih (desno).
Ugotovili smo, da lahko s statičnim modulom in dinamičnim modulom elastičnosti napovedujemo tudi upogibno trdnost preizkušancev. Boljšo povezanost linearnega regresijskega modela z eksperimentalnimi podatki smo dobili v primeru merjenja statičnega modula elastičnosti (R2 = 0,88 do 0,95). Nekoliko nižje vrednosti pa v primeru linearnega regresijskega modela med dinamičnim modulom elastičnosti in upogibno trdnostjo, ki pa je bil še vedno statistično značilen (R2 = 0,66 do 0,73). Variabilnost podatkov je bila v tem primeru večja, še posebej na najšibkejših mestih v preizkušancih.
Slika 31: Povezava med upogibno trdnostjo in statičnim in dinamičnim modulom elastičnosti na šibkih (a, c) in najmočnejših mestih (b, d) v preizkušancih.
Kot je razvidno iz zgornje slike (Slika 31), smo na preizkušancih izmerili visoko upogibno trdnost. Pri posameznih preizkušancih smo več kot 2-krat višjo upogibno trdnost določili že na lokacijah šibkih mest, kot pa to vrednost navaja trdnostni razred (Preglednica 3). Pričakovano se je upogibna trdnost, kot tudi statični modul elastičnosti, z višanjem trdnostnega razreda povečevala. Na najmočnejših mestih, pa smo izmerili tudi več kot 3-krat večje vrednosti upogibne trdnosti glede na trdnostni razred preizkušancev. Ugotavljamo tudi, da se variabilnost upogibne trdnosti z višanjem trdnostnega razreda zmanjšuje (Slika 32).
Preglednica 3 Gostota, dinamični in statični moduli elastičnosti ter upogibne trdnosti razvrščene od najnižjega do najvišjega trdnostnega razreda. ( X = velik preizkušanec, X.1 = preizkušanec iz najšibkejšega mesta, X.2 = preizkušanec iz najmočnejšega mesta)
Preizkušanec Trdnostni razred
Gostota [kg/m3] Dinamični modul elastičnosti [GPa]
Statični modul elastičnosti
[GPa]
Upogibna trdnost [MPa]
X X.1 X.2 X X.1 X.2 X.1 X.2 X.1 X.2
9 C14 384 385 352 7,75 7,00 9,16 8,50 11,83 28,4 53,8
19 C14 381 381 371 7,67 6,90 8,23 6,67 8,85 34,7 47,6
16 C16 445 444 421 8,03 7,55 10,41 5,88 11,08 16,9 78,8
20 C16 400 383 386 8,81 11,04 11,20 6,43 9,91 26,0 70,7
13 C24 410 420 383 11,36 13,95 14,84 9,88 12,16 50,7 80,5
1 C27 426 445 392 11,88 6,11 12,53 8,50 11,83 35,2 62,6
2 C30 426 418 422 12,80 5,34 17,18 8,85 13,71 41,6 90,6
10 C30 435 427 413 12,11 9,85 10,73 8,17 13,61 35,6 90,9
12 C30 432 448 406 12,01 8,70 14,32 8,44 13,70 47,6 90,4
17 C30 412 410 404 12,29 15,11 14,13 9,65 14,16 50,3 88,1 3 C35 428 425 410 13,68 13,02 11,71 12,40 11,31 75,0 74,0 4 C35 411 390 406 13,50 12,33 13,59 12,75 13,63 69,3 78,7 18 C35 412 402 397 13,25 11,56 13,91 10,43 13,56 52,1 89,5 7 C40 457 455 448 14,55 14,56 13,83 13,65 13,51 78,1 89,4 14 C40 476 464 469 14,30 14,03 14,23 11,29 14,40 50,0 86,8 5 C50 495 476 491 16,97 15,30 15,52 14,36 13,97 89,7 93,0 6 C50 502 496 488 17,47 17,65 15,52 16,83 14,89 104,8 102,8 8 C50 551 539 540 20,33 18,88 18,96 17,00 16,86 101,0 110,3 11 C50 486 476 479 16,80 16,79 16,96 13,28 16,63 59,5 100,2 15 C50 481 475 470 16,60 16,02 15,96 15,19 15,85 91,3 108,5 21 C50 499 474 508 16,37 15,26 17,29 15,85 18,41 94,3 117,2
Slika 32: Variabilnost statičnega modula elastičnosti (levo) in upogibne trdnosti (desno) v preizkušancih iz posameznih trdnostnih razredov.
5 SKLEPI
Vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa, skladno s SIST DIN 4074-1 in SIST EN 338, je v primerjavi z nedestruktivnim razvrščanjem na osnovi analize frekvenčnega odziva pri vzdolžnem mehanskem nihanju konzervativno. Pri tej metodi so odločitveni kriterij največkrat grče, njihova velikost, število ter razporeditev, ki določajo značilno zmanjšanje nosilnega prereza oziroma t.i. kritična mesta v elementih konstrukcijskega žaganega lesa.
Togost konstrukcijskega žaganega lesa se lahko dobro določi že nedestruktivno z merjenjem povprečnega dinamičnega modula elastičnosti ter gostote lesa. Dinamični modul elastičnosti pri preizkušancih z več in izrazitejšimi anomalijami, t.j. iz nižjih trdnostnih razredov, pa značilno variira, od nizkih vrednosti na lokacijah šibkih mest do visokih vrednosti na lokacijah brez prisotnih strukturnih nepravilnosti.
Na šibkih mestih, tj. mestih z najizrazitejšimi strukturnimi anomalijami, je upogibna trdnost lesa večinoma značilno manjša v primerjavi z mesti brez strukturnih nepravilnosti. Tudi na šibkih mestih pa upogibna trdnost konstrukcijskega lesa značilno presega vrednosti, določene s trdnostnim razredom v standardu. Ugotovili smo tudi, da se variabilnost upogibne trdnosti z višanjem trdnostnega razreda zmanjšuje.
Nekateri najšibkejši preizkušanci pa so med statičnim mehanskim testom presegli upogibne trdnostne vrednosti in modul elastičnosti najmočnejših preizkušancev. Iz teh rezultatov sklepamo, da kritična mesta (tj. grče in venci grč) v nekaterih primerih pozitivno vplivajo na mehanske lastnosti lesa, če so le te naključno pravilno orientirane glede na smer obremenjevanja preizkušanca.
Upogibno trdnost konstrukcijskega žaganega lesa lahko tako na šibkih mestih s prisotnimi strukturnimi anomalijami, kot tudi na mestih brez strukturnih nepravilnosti, enakovredno napovedujemo z dinamičnim in statičnim modulom elastičnosti. Večja zanesljivost napovedovanja je s statičnim modulom elastičnosti ter na mestih brez prisotnih strukturnih posebnosti.
Variiranje gostote, zgradbe in mehanskih lastnosti, določenih statično in dinamično, je večje pri preizkušancih iz najnižjih trdnostnih razredov. Večjo nehomogenost materiala v teh primerih lahko potrdimo tudi z analizo frekvenčnega odziva, kjer zaznamo več frekvenc nihanja. Metoda je učinkovita zaradi natančnosti in hitrosti izvedbe ter je dobrodošla za uporabo v večjih žagarskih obratih, kjer se strojno razvršča velike količine lesa.
6 POVZETEK
Zahteve po testiranem konstrukcijskem žaganem lesu izvirajo predvsem iz gradbeniškega področja. Zaradi velikega variiranja homogenosti začetne surovine je potrebno žagani konstrukcijski les predhodno razvrstiti v trdnostne razrede skladno s standardom SIST EN 338. Standard je namenjen razvrščanju konstrukcijskega lesa iglavcev in listavcev na podlagi mehanskih karakteristik (modul elastičnosti, upogibna trdnost).
Za določanje mehanskih lastnosti poznamo dinamične (nedestruktivne) in statične (destruktivne) metode. Največkrat so uporabljene dinamične nedestruktivne metode, saj z njimi konstrukcijskega žaganega lesa med samim testiranjem ne poškodujemo oz.
uničimo.
Z našo raziskavo smo želeli konstrukcijskemu žaganemu lesu na osnovi prisotnih anomalij in variabilnosti priraščanja določiti lokalno mehansko najšibkejša in najmočnejša mesta ter ga vizualno razvrstiti po trdnosti. Preverili smo tudi koreliranost vizualnih značilnosti preizkušancev s frekvenčnim odzivom pri dinamičnih mehanskih testih, ter konstrukcijski žagan les še strojno razvrstili. Lokalno, na izbranih mestih, smo pri konstrukcijskem žaganem lesu določili še statične mehanske lastnosti in jih primerjali z dinamičnimi.
Metode, ki smo jih uporabili v naši raziskavi so bile naslednje:
• vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti po SIST DIN 4074- 1;
• dinamično (nedestruktivno) testiranje lesa z metodo frekvenčnega odziva;
• statični (destruktivni) test, štiri-točkovni upogib po SIST EN 408.
Uporabili smo 21 preizkušancev smrekovine. Krojne dimenzije preizkušancev so znašale 3000 × 100 × 35 mm. Preizkušanci so bili strojno obdelani (skobljani). Vizualno ocenjevanje lesa je bilo od vseh uporabljenih metod najbolj zamudno, ker smo želeli natančno izmeriti vse relevantne značilnosti lesa. Zaradi nehomogenosti lesa smo večino preizkušancev razvrščali v trdnostne razrede (C18, C24, C30) več minut. Metoda vizualnega razvrščanja konstrukcijskega žaganega lesa po SIST DIN 4074-1 v praksi zahteva veliko znanja in predvsem izkušenj.
Preizkušance smo hitreje razvrstili z dinamično (nedestruktivno) metodo frekvenčnega odziva. Z uporabo te metode je čas trajanja meritve preizkušanca zelo kratek (tmerjenja = 5 s). Potrebno je omeniti, da je čas trajanja celotne meritve nekoliko daljši, saj je za dinamični modul elastičnosti potrebno izračunati tudi gostoto preizkušanca. Težava pri strojnem razvrščanju pa je ta, da je oprema za strojno razvrščanje draga in da je potrebno pred začetkom uporabe naprave z obsežnimi in zahtevnimi meritvami pridobiti nastavitve za indikativne lastnosti.
Vizualno smo na vsakem preizkušancu izbrali in označili najšibkejša in najmočnejša mesta. Preizkušance smo na teh mestih skrojili na dolžino 700 mm in jim dodali oznake.
Preizkušance iz najšibkejših in najmočnejših delov desk smo ponovno testirali z metodo frekvenčnega odziva. Nato smo primerjali dobljene vrednosti hitrosti preleta zvoka, gostote in modula elastičnosti z vrednostmi, ki smo jih izmerili na preizkušancih pred krojenjem.
Potrdili smo, da vrednosti mehanskih lastnosti preizkušancev precej bolj variirajo pri preizkušancih, ki smo jih z vizualno in dinamično metodo razvrstili v nižje trdnostne razrede. Izkazalo se je tudi, da je povezava med dinamičnim in vizualnim testiranjem zelo šibka, saj smo z dinamično metodo razvrstili v trdnostne razrede vseh 28,6 % preizkušancev, ki z vizualno metodo razvrščanja niso izpolnjevali pogojev niti za uvrstitev v najslabši trdnostni razred.
Po drugi strani pa bi samo na podlagi strojnega razvrščanja v uporabo lahko prišli izdelki, ki vsebujejo poškodbe, ki jih z meritvami ne moremo zaznati. 3 preizkušance, ki smo jih pri vizualnem razvrščanju izločili zaradi napada insektov, smo na podlagi strojnega razvrščanja razvrstili v razrede C35, C40 in C50, kar sicer kaže, da trenutno poškodbe lesa ne zmanjšujejo njegove trdnosti, je pa les napaden in se lahko v prihodnosti njegova nosilnost bistveno zmanjša.
Standard SIST EN 14081-1 zahteva, da je potrebno na strojno razvrščenem lesa naknadno vizualno oceniti značilnosti, ki zmanjšujejo trdnost lesa in jih z napravo ni mogoče zaznati, kot so npr.: razpoke, deformacije oblike, lisičavost, trohnoba in napad insektov (aktivna okužba z insekti in luknje večje od 2 mm tudi pri strojno razvrščenem lesu niso dovoljene).
Majhne preizkušance izžagane iz najšibkejših in najmočnejših delov desk smo po opravljenem dinamičnem preizkusu testirali še statično s porušno metodo štiri- točkovnega upogiba. S primerjavo podatkov dinamičnega in statičnega testiranja smo ugotovili, da sta si metodi glede na dobljene rezultate meritev precej enakovredni.
Zabeležili smo več odstopanj pri najslabših preizkušancih z večjo prisotnostjo rastnih anomalij. Nehomogenost lesa najslabših preizkušancev ovira prelet zvoka pri dinamičnem testiranju, zato rezultati meritev bolj odstopajo od meritev dobljenih na statičnem testu. Pri najkvalitetnejših preizkušancih pa so smo zabeležili manjša odstopanja.
7 VIRI
Bédard P., Desjardins R. 2005. Comparative Analysis of MSR Equipment: 2 str.
Brookhius - strength grading products. 2021 --- https://www.brookhuis.com/wood-testing/strength-grading
Dobnikar J. 2012. Uporaba metod strojnega učenja za razvrščanje lesa v trdnostne razrede.
Dynalyse - strength grading products. 2021 --- https://dynalyse.com/products/strength-grading-lumber-timber
Gornik Bučar D., Bučar B. 2009. Uporaba metode frekvenčnega odziva za določanje modula elastičnosti žaganega lesa. Les/Wood, 61: 249-254
Gorišek Ž. 2009. Les, zgradba in lastnosti. Njegova variabilnost in heterogenost.
Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 178 str.
Halachan P. 2016. Physico-acoustic characteristics of spruce and larche wood. Zvolen, Technical University in Zvolen, Facility of Wood Science and Technology: 238 str.
Microtec – products. 2021 --- https://microtec.eu/en/catalogue/products/goldeneye/
Pellerin R.F., Ross R.J. 2002. Nondestructive evaluation of wood. Madison, Forest produts society: 210 str.
SIST DIN 4074-1: 2009. Razvrščanje lesa po trdnosti - 1. del: Žagani les iglavcev: 21 str.
SIST EN 336: 2013. Structural timber. Sizes, permitted deviations - Changes in size due to changes in moisture content
SIST EN 338: 2016. Konstrukcijski les - Trdnostni razredi - Structural timber - Strength classes: 10 str.
SIST EN 384: 2016+A1:2019/oprA2:2020. Konstrukcijski les - Ugotavljanje karakterističnih vrednosti mehanskih lastnosti in gostote
SIST EN 408: 2010+A1:2012. Timber structures - Structural timber and glued laminated timber - Determination of some physical and mechanical properties: 31 str.
SIST EN 1912: 2012/AC:2013. Konstrukcijski les - Trdnostni razredi - Določitev trdnostnih razredov na podlagi vizualnega razvrščanja in vrste lesa
SIST EN 14081-1: 2016+A1:2019. Lesene konstrukcije - Po trdnosti razvrščen konstrukcijski les pravokotnega prečnega prereza - 1. del: Splošne zahteve
Srpčič J., Plos M., Pazlar T., Turk. 2010. Indikativne lastnosti za razvrščanje žaganega konstrukcijskega lesa po trdnosti. Les/Wood, 62: 490-496
Šega B. 2005. Razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa po trdnosti – študijsko gradivo. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, oddelek za lesarstvo
Šega B. 2010. Vizualno razvrščanje konstrukcijskega žaganega lesa. Les/Wood, 62: 96- 104
ZAHVALA
Predvsem se zahvaljujem mentorju izr. prof. dr. Alešu Stražetu, somentorju viš. pred.
mag. Bogdanu Šegi in recenzentu prof. dr. Željku Gorišku, ki so mi pomagali speljati diplomsko nalogo in mojo študijsko pot do zaključka.
Zahvaljujem se tudi vsem prijateljem in družini, ki so mi pomagali in me podpirali od vsega začetka pa do konca študija.
