Zkoušení trvanlivosti lepených nosných dřevěných prvků využívaných ve stavebnictví. Jan Vaněrek Fakulta stavební, VUT v Brně 2013 SUPMAT - Podpora vzdělávání pracovníků center pokročilých stavebních materiálů Registrační číslo CZ.1.07/2.3.00/

f – podélné vlákna tracheidy rc – pryskyřičné kanálky r – dřeňové paprsky bp – dvojtečky Mikrostruktura jehličnany

Smrk sitka má menší pryskyřičné kanálky než borovice. Výrazné se kanálky vyskytují V letním dřevě (bílé tečky). Zv. 20X Jedle nemá pryskyřičné kanálky. Ty se nacházejí pouze u borovic, smrků, modřínů. Zv. 20X

Jarní dřevo - tenké buněčné stěny, větší průměr buněk. Letní dřevo - tlusté buněčné stěny, menší průměr buněk. Přechod – výrazný (náhlý) nebo pozvolný. Letní dřevo Jarní dřevo Sekvoj 100x

Listnaté dřeviny - narozdíl od jehličnanů složitější stavba (vícero druhů buněk). Tracheje (cévy) Dřevní vlákna Dřeňové paprsky dřevní vlákna tracheje Dřeňové paprsky bříza Mikrostruktura listnáče

LISTNÁČE Příčný řez dubem (Quercus falcata), zv. 20x. Velké póry v jarním dřevě jsou cévy (tracheje). V letním dřevě jsou tyto elementy menší. Jedná se o dřeviny s kruhovitě pórovitou strukturou dřeva. Jarní dřevo cévy Letní cévy

Maclura pomifera. Materiál uvnitř trachejí se nazývají thyly. Zamezují transportu vody v buňkách. Dub bílý je další případ dřeviny s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva. Viditelné thyly ve velkých jarních cévách.

1. Tradiční plošné materiály na bázi dřeva  Dřevocementová deska.  Cementotřísková deska (CETRIS).  Sádrovláknitá, sádrokartonová deska (SDV, SDK).  Dřevovláknitá deska (MDF).  Dřevotřísková deska (DTD).  Dřevotřísková deska z plošných třísek (OSB).

1.1. Dřevocementová deska (Lignos, Heraklit nebo Krupinit) Dřevěná vlna (nejlépe ze smrku) se smísí s cementem, magnezitem nebo sádrou a nepatrným tlakem se slisuje. Desky se dodávají v tloušťkách 25 –75 mm, 2000 mm délky a 500 mm šířky. Technické vlastnosti desek: V poslední době se začínají stále více prosazovat. Mezi nejrozšířenější tvárnicové systémy v ČR patří systém Durisol, Biocement (Velox-werk s.r.o.) nebo Izoblok (Morfico, s.r.o.).

1.2. Cementotřísková deska (CETRIS) Cementotřískové desky CETRIS se vyrábějí lisováním směsi dřevěných třísek, portlandského cementu a hydratačních přísad. Desky se dodávají ve standardních tloušťkách 8 – 32 mm, základní rozměr desky je 3350 x 1250 mm. Technické vlastnosti desek:

Cementotřísková deska s hladkým povrchem opatřená základním podnátěrem a finální povrchovou úpravou dle vzorníku Cementotřísková deska s hladkým cementově šedým povrchem.

Cementotřísková deska Profil tl. 10 nebo 12 mm, jejíž povrch tvoří reliéf imitující strukturu dřeva nebo břidlice. Cementotřísková deska CETRIS® DOLOMIT tl mm je opatřená posypem mramorové drtě různých zrnitostí v barvách dle vzorníku.

Cementořísková deska CETRIS® AKUSTIC je vyráběna opracováním (vyvrtáním pravidelných otvorů) základního typu desky CETRIS® BASIC. Pohltivý akustický obklad.

1.3. Sádrovláknitá, sádrokartonová deska Deska FERMACELL je složena ze sádry a papírových vláken, která se získávají recyklací papíru. Sádra reaguje s vodou, pronikne dovnitř a obalí vlákna. To zajistí vysokou pevnost a tvrdost a také nehořlavost materiálu. Sortiment je dodáván v délkách 2000 mm a 3000 mm, šířce 1249 mm a tl. 10/12,5/15/18. Technické vlastnosti desek:

1.4. Dřevovláknitá deska Dřevovláknité desky jsou vyráběny z vláken jehličnatých a/nebo listnatých dřevin nebo vláken jiných lignocelulozových materiálů, pojených syntetickým lepidlem za použití teploty a tlaku. MDF desky se vyrábí v základním rozměru 2750 x 1840 mm. Technické vlastnosti desek:

Mokrý proces Tyto desky mají při formování koberce vlhkost vyšší než 20%. Podle své objemové hmotnosti se rozdělují na následující typy (nelisované, lisované) - izolační desky (objemová hmotnost < 400 kg.m -3 ) - polotvrdé desky (objemová hmotnost ≥ 400 kg.m -3 ≤ 900 kg.m -3 ) - tvrdé desky (objemová hmotnost ≥ 900 kg.m -3 )

Odpad z pilytřídění roztřískování Silo na piliny defibrátor rozvláknění s vodou Vyrovnávací válce, ždímací lisy Sušení (160 až 220 °C) + možnost lisování (5N ̸ mm 2 ) formátování sklad

1.5. Dřevotřísková deska z plošných třísek smrku (příp. borovice) o tl.0,4 -0,6 mm a délky 120 mm, tlak a teplota lisu 15 MPa, 180°C. Desky OSB se vyrábějí v různých formátech o délce až 5 m a šířce až 2,5 m. Tloušťka vyráběných materiálů je 6 – 40 mm. Desky mají hranu buď hladkou nebo opatřenou perem a drážkou ze dvou nebo čtyř stran. Deska je složena z 90 % ze třísek smrku (příp. borovice) o tl.0,4 -0,6 mm a délky 120 mm, tlak a teplota lisu 15 MPa, 180°C. Technické vlastnosti desek:

rotorové odkorňovače - pro relativně stejné průměry, rovné dřevo a maloobjemové odkornění, jsou účinnější. bubnových odkorňovačů - pro odkornění dřeva malých a rozdílných průměrů se požívá. Ty jsou vhodné pro velké objemy a nerovné tvary dřeva.

Diskový roztřískovač – používá se ve většině linek. Vyznačuje se robustností, vysokou disponibilitou, krátkými prostoji při výměně nožů a nízkou citlivostí na cizí předměty. Jeho nevýhodou je rozdílná řezná rychlost, protože nože jsou rozmístěné radiálně – z tohoto důvodu jsou třísky méně stejnorodé. Válcový roztřískovač – předností tohoto roztřískovače je zejména stejná řezná rychlost. Takto se dají vyrobit stejnorodé a žádané třísky, proto se do budoucna očekává jejich daleko větší použití.

Sušení třísek – Po dobu sušení jsou třísky z původní vlhkosti vysušeny na vlhkost technologickou, tj. 2 – 4%.

Nanášení lepidla - Třísky jsou do nanášečky exaktně dávkovány pomocí vah. Lepící směs (tj. lepidlo + přísady) jsou do nanášečky vstřikovány tryskami a rychle se otáčejícími diskovými rozprašovači Obecně jsou pro výrobu OSB vhodná tradiční lepidla, např.: močovinoformaldehydová, melamínmočovinoformaldehydová, fenolformaldehydová a izokyanátová lepidla.

Vrstvení třísek - Třísky jsou ve spodní a vrchní vrstvě orientovány rovnoběžně a ve střední vrstvě kolmo na směr výroby. Orientaci třísek lze provést buď mechanicky, nebo elektrostaticky.

Lisování a řezání - Při výrobě OSB je možno použít jedno-etážový, více-etážový nebo kontinuální lis, který používá firma Kronospan. Desky jsou lisovány tlakem 15 MPa při teplotě 180°C. Lisovací čas závisí na materiálu lepidla. Pro fenolformaldehydové lepidlo je třeba čas v rozmezí 16 – 20 s na mm tloušťky desky, pro izokyanátová lepidla PMDI se pohybuje lisovací čas do 10 s na mm tloušťky.

TypOblasti použití OSB/1Desky pro všeobecné účely a pro použití v interiéru v suchém prostředí OSB/2Desky pro nosné účely pro použití v suchém prostředí OSB/3Desky pro nosné účely pro použití ve vlhkém prostředí OSB/4Zvlášť zatížitelné desky pro použití ve vlhkém prostředí

2. Novodobé konstrukční materiály na bázi dřeva  lepené vrstvené hranoly (horizontálně, vertikálně)  lepené hranoly ze dřevěných aglomerovaných částic  při použití dýhy  při použití dýhových listů  při použití třísek  lepené prvky kombinované  stěnové panely

Lepidla Syntetická: Močovino-formaldehydov é lepidla (UF, česky MF) Fenol formaldehydov á lep. (PF) Fenol rezorc í nov á lepidla (PR) Melamino-močovinoformaldehydov é lepidlo (MUF) Melamino-formaldehydov é (MF) Epoxidová lepidla, isokyanátová, polyuretanová a polyvinylacetátová lepidla

2.1. Lepené vrstvené hranoly Jedná se o materiál, kdy jednotlivé lamely (min. tl. 45 mm) jsou lepeny za studena (lisovací tlak a čas) do vytvoření požadovaného průřezu.

Richmond Olympic OvalBrentwood Skytrain Station, B.C., Canada

Thunder Bay Regional Health Sciences Centre, Ontario

Credit Valley Hospital, Mississauga, Ontario

Nicola Valley Institute of Technology Merritt, BC, Vancouver

Pocono Environmental Education Centre, Dingman’s Ferry

The Craig Thomas Discovery and Visitor Centre, Grand Teton National Park, Wyoming

Kwantlen University College – Trades & Technology Centre | Cloverdale, BC

2.2. Lepené hranoly ze dřevěných aglomerovaných částic Parallam je vysoce pevný materiál, který se skládá z velkého počtu vzájemně slepených pásků dýh fenol-formaldehydovými pryskyřicemi, do výsledného hranolu o maximálních rozměrech 285×400 mm jsou dýhy aplikovány lisováním za zvýšené teploty (iniciace pomocí mikrovlnného ohřevu) pro řádné vytvrzení lepidla. na bázi dýhy – např. Parallam PSL (Parallel Strand Lumber) Technické vlastnosti:

2.2. Lepené hranoly ze dřevěných aglomerovaných částic Tyto materiály se vyrábějí lisováním do plošných formátů nebo přímým tvarováním do hranolových profilů. Jednotlivé vrstvy jsou slepeny fenol- formaldehydovým lepidlem z mnoha převážně podélně uložených dýh tl. 2,5 až 4,5 mm, které jsou ve vrstvách uloženy vedle sebe. Běžné tloušťky jsou 21 až 75 mm, délka až 26 m. na bázi dýhovaných listů – např. Microllam, Kerto (LVL-Laminated Veneer Lumber) Technické vlastnosti:

KERTO S – u tohoto provedení mají všechny dýhy podélný směr vláken. Materiál vykazuje díky své skladbě a použité technologii výroby vysoké hodnoty pevnosti a tvrdosti. Vyrábí se jako deska, která je následně rozmítnuta na pásy. Touto technologií výroby a konstrukčním provedením vznikají vysoce pevné průřezy, které svojí dimenzí a pevností vyčnívají nad konstrukční a lepené lamelové dřevo. KERTO Q – je velkoplošný materiál, který má mezi dýhy s rovnoběžně orientovanými vlákny vloženo 2 až 5 dýh s příčně orientovanými vláky, v závislosti na tloušťkách desek 27-69mm. Změny vyvolané vlhkostí jsou minimální a to i díky kolmým dýhám, které tuto vlastnost eliminují. KERTO T – je vyráběno stejným způsobem jako Kerto-S, ale pro jeho výrobu se používají tenčí dýhy.

Vlastnosti - vysoké pevnosti, zatížitelnost - dobrá tvarová a rozměrová stabilita - dobrá tvarová a rozměrová stabilita - nesesychá, nekroutí se a nevykazuje trhliny - nesesychá, nekroutí se a nevykazuje trhliny Využití - střešní a rámové konstrukce - nosné a vyrovnávací konstrukce podlah - nosné a vyrovnávací konstrukce podlah - Kerto na akustické panely stěn - Kerto na akustické panely stěn Microllam, Kerto Materiály vyrobené lisováním vrstev z převážně podélně uložených dýh.

Stavba stadionu v Oulu z Ketra-S

2.2. Lepené hranoly ze dřevěných aglomerovaných částic Materiál Intrallam se vyrábí z krájených třísek měkkých listnatých dřevin formovaných do desek nebo hranolů. Dřevo se zpracuje na třísky 300 mm dlouhé, 25 až 40 mm široké a tloušťky cca 1 mm. Třísky jsou slepovány vodovzdorným polyuretanovým lepidlem. Desky Intrallam mají rozměry 2,44x10,6 m při tloušťce až 140 mm. na bázi třísek – např. Intrallam LSL (Laminated Strand Lumber) Technické vlastnosti:

2.3. Lepené prvky kombinované Pro výrobu nosníku se používá Microllam, jehož vlákna jsou orientována ve směru podélné osy nosníku, ze kterého jsou obě pásnice. U prvků I-Stabil jsou pásnice provedeny z rostlého dřeva nastavovaného lepeným zubovitým spojem. Pásnice musí přenášet především namáhání vyvozená ohybovými momenty, kdežto stojina nosníku (většinou z desek OSB) musí přenášet zejména namáhání vyvozené posouvajícími silami. TJI JOISTS, I-Stabil Technické vlastnosti:

Vlastnosti - dobrá únosnost a rozměrová stabilita - nízká hmotnost, snadná manipulace - nízká hmotnost, snadná manipulace - eliminují kroucení a průhyby od zatížení - eliminují kroucení a průhyby od zatížení Využití - podlahové, stěnové a stropní nosníky - konstrukce rovných i šikmých střech - konstrukce rovných i šikmých střech TJI JOISTS, I-Stabil Nosníky se skládají z pásnic a stojiny z OSB.

2.4. Stěnové panely Panely z vrstveného masivního dřeva se vyrábějí z vysušených smrkových lamel skládaných do vrstev. Jednotlivé vrstvy jsou k sobě otočeny o 90º, počet vrstev může být různý a určuje konečnou tloušťku panelu. Panely NOVATOP se vyrábí v přesných formátech (až 12x 2,95m), s opracováním spojů, s otvory pro okna a dveře a s dalšími individuálními úpravami jako příprava tras pro rozvody či doplnění tepelné, zvukové nebo protipožární izolace. vrstvený masivní panel (CLT – cross laminated timber)

Opláštění fasády Gymnázium v HAM, Francie, modřínové desky

Administrativní budova JAF HOLZ, Rokycany

3. Trvanlivost lepených prvků Objemové změny dřeva vyvolané změnou vlhkosti vyvolávají napětí na lepenou spáru, které může vést k:  následné delaminaci spáry (ztrátě adhezních sil),  případně k celkovému snížení pevnosti lepeného spoje (zkoušeno pomocí smykové zkoušky). Smyková pevnost lepené spáry  ČSN EN 302 – 1 - Lepidla pro nosné dřevěné konstrukce – Metody zkoušení – Část 1: Stanovení podélné smykové pevnosti  ČSN EN 392 – Lepené lamelové dřevo – Smyková zkouška lepených spojů  Standardní testovací předpis pro stanovení pevnostních vlastností lepených spojů při zatížení smykem dle ASTM D e1

Delaminace lepené spáry  Standardní specifikace pro lepidla na lepené dřevěné prvky používané ve venkovních podmínkách dle ASTM D 2559  Standardní testovací předpis pro několikanásobné zrychlené stárnutí (varem) pro lepidla na dřevo vystavené vnějším vlhkým podmínkám dle ASTM D 3434  ČSN EN Lepidla pro nosné dřevěné konstrukce – Metody zkoušení – Část 2 Stanovení odolnosti proti delaminaci  ČSN EN Lepené lamelové dřevo – Zkouška delaminace lepených spojů

3.1. EN Podstata zkoušky Smyková pevnost slepů se stanoví vložením podélné tahové síly na jednoduchý přeplátovaný spoj s tenkou a silnou vrstvou lepidla mezi dvěma pravoúhlými adherendy z bukového dřeva. Spoje jsou namáhány dokud nedojde k porušení. Zkušební zařízení Musí pracovat při: a) konstantní rychlosti zatěžování (2,0 ± 0,5) kN/min; nebo b) konstantní rychlosti posuvu čelistí nepřesahující 5mm/min tak, aby doba potřebná k porušení byla mezi 30s a 90s. Zkušební zařízení musí zajistit, aby tahové namáhání ve smyku neprobíhalo excentricky a aby nedocházelo během zatěžování k prokluzu. Vyjádření výsledků Jako výsledek zkoušky se uvádí průměr smykové pevnosti [N/mm 2 ] vypočítaný z 10 platných zkoušek. Porušení dřeva se vyjádří jako průměr z 10 platných výsledků zkoušek. Lepidla pro nosné dřevěné konstrukce – Metody zkoušení – Část 1: Stanovení podélné smykové pevnosti

Typ a doba expozice před smykovou zkouškou. Označení Expozice A17 dní ve standardním prostředí. A24 dny ponoření ve vodě při (20 ± 5) °C; zkouší se v mokrém stavu; A34 dny ponoření ve vodě při (20 ± 5) °C; opětné kondicionování ve standardním prostředí [20/65] do dosažení původní hmotnosti; zkouší se v suchém stavu; A46 hodin ponoření ve vařící vodě; 2 hodiny ponoření ve vodě při (20 ± 5) °C; zkouší se v mokrém stavu; A56 hodin ponoření ve vařící vodě; 2 hodiny ponoření ve vodě při (20 ± 5) °C; opětné kondicionování ve standardním prostředí [20°/65%] do dosažení původní hmotnosti; zkouší se v suchém stavu; Standardní prostředí je definováno teplotou (20 ± 2) °C a relativní vlhkostí vzduchu (65 ± 5) %.

3.2. EN Podstata zkoušky Slepená laminovaná tělesa se podrobí procesu impregnace-sušení. Tělesa se impregnují ponořením do vody, přičemž se střídá vysoký tlak a vakuum. Následně se rychle osuší v prostředí s nízkou vlhkostí vzduchem proudícím vysokou rychlostí. Hodnotí se rozsah delaminace ve vrstvě lepidla jako výsledek tohoto působení a porovná se s celkovou délkou vrstvy lepidla na každé čelní ploše. Vyjádření výsledků Delaminace se vyjádří v procentech a vypočítá se pro každé zkušební těleso. Zaokrouhlí se na nejbližší 0,1 %. K výpočtu se použije následující vzorec. kde: Dje delaminace, v procentech; l 1 celková délka delaminace na obou čelních plochách; l 2 celková délka vrstev lepidla na obou čelních plochách. Lepidla pro nosné dřevěné konstrukce – Metody zkoušení – Část 2.: Stanovení odolnosti proti delaminaci

Působení cyklů při zkoušce delaminace. Působení Parametry Jednot ky Vysokote plotní postup pro lepidla typu I Nízkoteplotní postup pro lepidla typu II Impregna ce vodou Teplota vody Absolutní tlak Trvání Absolutní tlak Trvání Počet impregnačních cyklů °C kPa min kPa h - 10 až ± ± až ± ± Sušení Teplota vzduchu Vlhkost vzduchu Rychlost proudění vzduchu Trvání °C % m/s h 65 ± 3 12,5 ± 2,5 2,25 ± 0, ,5 ± 2,5 30 ± 5 2,25 ± 0,25 90 Počet cyklů Počet úplných cyklů (cyklus se skládá ze dvou impregnací vodou a jednoho procesu sušení) -32

3.2. EN Měření a vyhodnocení delaminace Delaminace se musí změřit a zkušební tělesa se musí vyhodnotit do 1 h po konečném sušení. Celková delaminace a celková délka vrstev lepidla na obou čelních plochách se měří v milimetrech. Za skutečnou delaminaci se považují tyto otvory ve vrstvě lepidla:  kohezní trhlina ve vrstvě lepidla;  porušení vrstvy lepidla přesně mezi vrstvou lepidla a lamelou dřeva, která je k ní přilepena. S vrstvou lepidla nesmí zůstat spojena žádná vlákna dřeva;  porušení dřeva vyskytující se v prvních buněčných vrstvách sousedících s vrstvou lepidla, ve kterých šíření lomu není ovlivněno úhlem vláken a strukturou letokruhů. Je charakterizováno jemným vzhledem vláken dřeva, která jsou na rozhraní mezi povrchem dřeva a vrstvou lepidla. Za delaminaci se nepovažují tyto otvory ve vrstvě lepidla:  porušení pevného dřeva, ve kterém je šíření lomu silně ovlivněno úhlem vláken a strukturou letokruhů;  jednotlivé otvory ve vrstvě lepidla kratší než 2,5 mm a ve vzdálenosti větší než 5 mm od nejbližší delaminace;  otvory ve vrstvě lepidla, které se vyskytují podél suků nebo míst se zvýšeným obsahem pryskyřice nacházejícím se v těsné blízkosti vrstvy lepidla, nebo otvory ve vrstvě lepidla způsobené zde skrytými suky. Při podezření, že otvor ve vrstvě lepidla je způsobem přítomností suku, se musí vrstva lepidla otevřít klínem a kladivem a musí být ověřena přítomnost skrytého suku. Pokud je příčinou otvoru suk, nepovažuje se tento otvor za delaminaci;  porušení v oblasti letního dřeva letokruhu v těsné blízkosti vrstvy lepidla a rovnoběžné s ní.

3.3. Zjišťování proniku do struktury dřeva Míra penetrace lepidla je odvislá od:  druhu dřeviny  anatomického směru (tangenciální, radiální a podélný)  jarní a letní dřevo  jádrové dřevo a běl  povrchová energie  typ pryskyřice a její vlastnosti (molekulární rozložení hmotnosti, pevné látky, přidávání plniv a dalších přísad),  povrchového napětí kapalné fáze lepidla  parametry zpracování (například čas kompletování vzorku, lisovací čas, teplota a vytvrzovací tlak) Smáčivé povrchy pro θ = {0, π/2}

Průnik lepidla do dřeva může být rozdělen:  na hlubokou penetraci (průnik dosahuje řádu mikrometrů)  povrchovou penetraci (v úrovni buněčných stěn, průnik dosahuje řádů nanometrů). V pozdějších pracích bylo zjištěno, že pryskyřice jsou schopny ve struktuře dřeva difúzního pohybu v buněčné stěně nebo penetrují mikrotrhliny.