Diagnostické metody pro hodnocení dřevěných konstrukcí in situ

Při průzkumech dřevěných konstrukcí historických staveb je nutno postupovat opatrně. Památková hodnota konstrukce se většinou odvozuje od zachované zkoumané hmoty. Významnou pomocí může být některá z moderních diagnostických metod, které byly vyvinuty, aby pomohly při zjišťování rozsahu a druhu skrytého poškození. To bývá u dřevěných konstrukcí zaviněno převážně živými organismy, především dřevokaznými houbami nebo hmyzem.

K autenticky dochované hmotné substanci je třeba přistupovat citlivě – nejen u oprav a renovací, ale u všech aktivit, které souvisejí se stavebněhistorickými a stavebnětechnickými průzkumy. Hloubkové sondážní či diagnostické postupy, které s sebou přinášejí invazivní, nebo dokonce destruktivní zásahy do původních konstrukcí a povrchů, se doporučuje aplikovat vždy až po zralé úvaze. Současně je třeba stále hledat alternativní cesty, jak tyto metody nahradit šetrnějšími způsoby.

K zjišťování rozsahu biotického poškození nebo u dendrochronologického datování lze využívat moderní přístrojové metody, které umožňují plně neinvazivně (ultrazvuk, přenosný rentgen, termovizní kamera) nebo jen částečně invazivním způsobem (odporová mikrovrtačka Resistograph, videoskop) zjišťovat rozsah biotického poškození dřevěných prvků. K průzkumům lze využít některou z moderních diagnostických metod.

Neinvazivní metody
Ultrazvukové vlny
Ultrazvukové testování je založeno na měření rychlosti šíření elastické deformace v konstrukci. Z času přechodu vlny a vzdálenosti sond můžeme výpočtem stanovit rychlost přechodu vlny prvkem. Měření rychlosti závisí na směru přenosu signálu, kterým jsou ultrazvukové vlny s frekvencí kolem 40 až 80 kHz. Dřevo jako anizotropní a heterogenní materiál má v různých směrech různé vlastnosti a vyznačuje se značnou variabilitou vlastností.

Při diagnostice dřeva zabudovaného ve stavbách nutno počítat především s příčnými směry, tedy s tangenciálním a radiálním. Poměr rychlosti šíření ultrazvuku v podélném, radiálním a tangenciálním směru je 15 : 5 : 3.

V případě zdravého dřeva je přenos rychlejší podél vláken (3 500 až 5 000 m/s), zatímco kolmo na vlákna je pomalejší (1 000 až 1 500 m/s). Dobu přenosu vlny v dřevěných prvcích podstatně ovlivňuje přítomnost dutin, kazů a růstových nepravidelností, cizorodých prvků nebo dřeva v rozkladu.

V menší míře měření ovlivňuje vlhkost materiálu a teplota. Je-li prvek degradovaný biotickými činiteli, významně se prodlužuje doba přenosu vln. V případě měření kolmo na vlákna potom prodloužení doby přenosu ultrazvukové vlny o 30 % naznačuje 50% ztrátu pevnosti a 50% prodloužení už signalizuje výrazně degradované dřevo. K lokalizaci místa poškození jsou vhodné příčné dráhy přechodu vlny. Při měření paralelně s dřevními vlákny může vyvolaný signál rozrušenou oblast dřevěného prvku snadněji obejít. Je-li známa hustota měřeného materiálu, můžeme vypočítat i dynamický modul pružnosti.

Měření ultrazvukem se může aplikovat in situ za předpokladu, že jsou testované prvky přístupné pro přiložení snímacích sond.

Příkladem zařízení používaného k terénnímu měření je Arborsonic Decay Detector. Vlastní měření tímto přístrojem je rychlé a jednoduché. Doby přechodu zvukové vlny prvkem lze okamžitě odečítat z displeje. V případě nejistoty se dá měření ihned opakovat nebo lze operativně zvolit trochu jinou polohu, což je u nehomogenní­ho materiálu, jakým je dřevo, praktické. Zařízení může obsluhovat i jediný operátor.

Přenosný rentgen
Nové lehké pulzní rentgeny zvýšily využitelnost těchto přístrojů na nedestruktivní diagnostiku stavebních konstrukcí. Nízkovýkonové rentgeny jsou bezpečné a přitom vhodné pro průzkum dřevěných konstrukcí. Jako záznamové médium se u rentgenování tradičně používá osvit filmu nebo zviditelnění záření na světélkující matnici. První způsob je pracný, druhý při diagnostice staveb v terénu těžko použitelný, ačkoli jeho nespornou výhodou je možnost přímého pozorování ozařovaného objektu. Dalšími zobrazovacími technikami jsou počítačová radiografie, která využívá připojení na videosystém, a fotografování na polaroidní filmy.

Terénní práci s přenosným rentgenem usnadňuje fosforové záznamové zařízení – umožňuje opakovaný záznam a jednoduchou digitalizaci obrazu. Desku tvoří tenká vrstva fosforových krystalů, vzájemně spojených a nanesených na ohybnou plastovou podložku. Krystaly pohlcují a uchovávají energii rentgenového záření ve formě skrytého obrazu. Množství pohlcené energie je úměrné intenzitě rentgenového záření, jemuž byly krystaly vystaveny. Uložená energie se potom z krystalů uvolňuje pomocí ozáření rudým laserem. Krystaly se dostanou do nestabilního stavu a při přechodu do základního stabilního stavu vyzařují viditelné modré světlo. Toto světlo je zaznamenáno skenerem a pomocí jeho programové výbavy se převádí do obrazů, které se mohou dále zpracovat. I v tomto případě je potřebné propojení s přenosným počítačem. Zatímco snadno přenosný zářič opatřený vlastními akumulátory váží asi 6 kg (jeho rozměry jsou 32 × 12 × 19 cm), skener je se svými 15 kg a s rozměry 40 × 50 × 27 cm podstatně větší.

Záznamové desky nejsou při čtení ve skeneru úplně smazané a některé krystaly stále zadržují určitou energii. Tato informace se může před dalším použitím úplně vymazat vystavením desky působení přímého denního světla.

Fosforová záznamová deska s rozlišením 300 dpi (20,3 × 25,4 cm nebo 20,3 × 43,2 cm) a malou tloušťkou umožňuje rentgenovat objekty i ve stísněných podmínkách (např. trámy probíhající těsně kolem stěn).

Obsluha rentgenu je jednoduchá. Po vložení nabité baterie se nastaví počet potřebných pulzů a vykoná se ozáření dálkovým spouštěčem. Rentgenogram lze získat výše popsaným způsobem na EPIX skeneru nebo na připojeném videosystému. Taktéž lze použít Polaroid na expozici filmu a přibližně za dvě minuty získat obrázek. Rentgenování se u průzkumů dřevěných konstrukcí osvědčuje všude tam, kde je třeba zjistit podrobnější informace o skrytých detailech, v nichž se uplatňují materiály s různou hustotou. Jde hlavně o posuzování únosnosti starých konstrukčních spojů se skrytými kovovými prvky (rozpěry, trny apod.) nebo o upřesňování dimenzí nosných prvků skrytých pod různými povrchovými úpravami. Zkušený operátor dokáže rentgenogram pomocí vhodné volby vzdálenosti, směru ozáření a počtu pulzů při snímání vyladit tak, že je zřejmá i orientace letokruhů, která u dřevěných spojů může prozradit velikost a tvar skrytých čepů.

Invazivní metody
Odporová mikrovrtačka
Přístroj Resistograph je zařízení s vrtákem o průměru 1,5 až 3,5 mm, které umožňuje plynule vrtat až do hloubky 450 mm. Nejprve je doporučováno vykonat důkladnou obhlídku na místě a podle zjištěné situace optimalizovat počet a rozmístění sondovaných prvků.

Při pronikání vrtáku do měřeného materiálu snímá přístroj množství energie potřebné k udržení konstantní vrtné rychlosti. Během měření je nezbytné propojení s přenosným počítačem. Výstupem je křivka, která opisuje změny energie v průběhu vrtání. Ty odpovídají oblastem s různými hustotami dřeva. Změny vyjadřují zlomy křivky v horních a dolních vrcholech. Netypický průběh částí křivky označuje místa s výskytem defektů.

Na vodorovné ose x je znázorněna vzdálenost od povrchu trámu, na svislé ose y je hustotní profil naměřený pomocí Resistographu. Tyto hodnoty se vyrovnávají pomocí váženého aritmetického průměru. Protože průběh křivky odpovídá poškození, lokalizace a určení velikosti defektu jsou přesné. Pro numerické vyjádření ze získaných grafů se používá vyhodnocení délek vrtné dráhy – signalizuje poškození poměrů délek křivky a vrtné dráhy či plochy pod naměřenou křivkou, redukované součinem délky dráhy a průměru vrtáku. Nejlepším ukazatelem pro vyhodnocování hustotních profilů získaných z Resistographu je právě poslední zmíněný podíl.

Odporové vrtání poškozeného krovového sloupku in situ	Detail vrtací hlavy s tenkým vidlicovitým vrtákem

Podobně jako Resistograph funguje i přístroj Sibtec DmP, který svým vrtákem o průměru 1 mm umožňuje sondovat dokonce až do hloubky 1 m. Lze jím lokalizovat a určit potenciální vnitřní defekty, prázdná nebo poškozená místa v materiálu. Nevýhodou obou přístrojů jsou nevyhnutelné rozměry tělesa obsahujícího vrták. Ty omezují přístup k sondovaným prvkům, což ztěžuje práci hlavně v blízkosti styčníků šikmých prvků. U krokvových konstrukcí šikmých střech je to např. právě v typicky kritické oblasti blízko záhlaví vazných trámů. Nevýhodou je odklon tenkého vrtáku od přímého směru, způsobený sklonem letokruhů.

Odporový indentor
Přístroj Pilodyn 6J Forest představuje jednoduché mechanické zařízení, které umožňuje měřit hloubku průniku trnu vystřeleného do dřeva při konstantní zarážecí síle 6 J. Reaktivace před dalším použitím se vykonává ručním stlačením pružiny. Maximální hloubka průniku trnu je omezena konstrukcí přístroje na 40 mm. Dosaženou hloubku zaražení hrotu lze odečítat přímo na stupnici přístroje. Naměřené hodnoty se mohou využít k hodnocení kvality povrchových vrstev dřeva. Při porovnání průniku trnu na různých místech zkoušeného prvku se dá podle kalibračních vztahů stanovit výpočtová pevnost, případně její snížení v místě poškození.

Přístroj Pilodyn 6J Forest	Aplikace odporového indentoru

Další metody pro hodnocení dřevěných konstrukcí
Vedle uvedených specializovaných přístrojů se při stavebnětechnických průzkumech dře­věných konstrukcí používají i další moderní prostředky se všeobecně širší škálou využití, jako jsou např. kontaktní či zapichovací vlhkoměry, různé druhy sondážních videoskopů nebo termovizní kamery. Vlhkost dřeva je třeba znát proto, že ovlivňuje riziko napadení dřeva dřevokazným hmyzem a houbami a také jeho mechanické vlastnosti (především pevnost v tlaku).

Miniaturní kamery (endoskopy, boroskopy, fibroskopy) umožňují s minimálními zásahy do povrchových úprav nahlédnout do skrytých dutin nebo i větších nepřístupných prostorů, např. za záhlaví trámů v místech jejich uložení do stěny nebo mezi záklop a podhled dřevěných stropů, což je vhodné hlavně u památkově hodnotných historických staveb. Dřevo sice pro svůj velký tepelný odpor nepatří mezi materiály primárně vhodné k termoviznímu snímání, přesto se však i tato metoda dá v omezeném rozsahu využít třeba při lokalizaci skrytých dřevěných nebo smíchaných nosných konstrukcí a prvků, jakými mohou být např. hrázděné či srubové stěny překryté omítkou nebo různé ztužující věnce a táhla skrytá uvnitř masivních stěn.

Samostatnou skupinu tvoří přístroje pro diagnostické a dokumentační metody zaměřené na povrchové kvality materiálů a jejich případné časové změny. Mezi lehká přenosná zařízení tohoto druhu patří snímací kamery na laserové 3D skenování, stereofotogrammetrii či záznam metodou kódovaného fotometrického sterea, založenou na jednoznačném vztahu mezi sklonem plochy a světlem, které tato plocha nasvícená směrovým světlem odrazí směrem ke kameře. Prostřednictvím tří nezávislých scenerií, které se odlišují směrem nasvícení, lze jednoznačně rekonstruovat změny v rovinnosti vzorku, které vznikly mimorovinnými deformacemi. Vhodnou volbou barev použitých LED osvětlovačů můžeme tři nezávislé scenerie zakódovat do jednoho kompozitního obrázku.

Dendrochronologie
Z dendrochronologického datování se v posledních desetiletích stal významný nástroj, který slouží stavebním historikům k upřesňování dílčích stavebních etap u objektů s komplikovanějším vývojem. Princip této metody spočívá v porovnávání letokruhových řad získaných z analyzovaných prvků se standardními chronologiemi, které jsou k dispozici prakticky pro všechny dřeviny používané k výrobě stavebních konstrukcí. Zatímco vlastní vyhodnocení je pro laboratoř vybavenou specializovaným softwarem rutinní matematickou operací, získání zdrojových dat v podobě co nejdelších řad tvořených přesně změřenými tloušťkami ročních přírůstků s sebou přináší mnoho specifických problémů a většinou předpokládá větší či menší zásah do konstrukce. Vhodnými vzorky k odměření letokruhových řad jsou příčné výřezy obsahující části podkorové vrstvy dřeva. Z konstrukčních důvodů (nebo i s ohledem na památkové hodnoty) však lze takové výřezy získat většinou jen z částí určených k likvidaci.

Letokruhové řady se zjišťují z jádrových vývrtů orientovaných příčně na vlákna dřeva. U nás se k takovým odběrům používají především ruční přírůstkové vrtáky, které po sobě zanechávají otvory o průměru menším než 1 cm. V zahraničí, hlavně v zemích s tradičně větším podílem tvrdého dubového dřeva v historických stavebních konstrukcích, se většinou po­užívají vrtáky s větším průměrem, asi 30 až 35 mm, a s elektrickým pohonem. Takové vývrty lze v případě potřeby využít i k laboratorním zkouškám materiálové pevnosti. Ve výjimečných případech můžeme tloušťky letokruhů odečítat přímo z povrchu dřeva nebo z úzkých mělkých zářezů vedených napříč vlákny.

Závěr
Moderní diagnostické přístroje nabízejí při průzkumech historických krovů širokou škálu možností, hlavně v situacích složitějších – ať už z hlediska omezeného přístupu k diagnostikovanému prvku nebo z hlediska památkových hodnot staveb. Důležité je však dobře poznat rozsah praktického použití jednotlivých metod a podle konkrétní situace optimalizovat jejich výběr. Odbornou pomoc při řešení mimořádně komplikovaných situací u nás nabízejí specializovaná vědeckovýzkumná pracoviště.

Ing. Jiří Bláha, Ph.D., Ing. Michal Kloiber, Ph.D.
Foto: autoři

Autoři pracují v Ústavu teoretické a aplikované mechaniky Akademie věd České republiky a v Ústavu
nauky o dřevě Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně.

Článek vznikl za podpory grantových projektů GAČR 103/07/1091, IGA 36/2008 a výzkumných záměrů MSM 6215648902, AV0Z20710524. Šíření nejnovějších poznatků o ohleduplných způsobech diagnostiky dřevěných staveb a moderních metodách jejich ochrany podporuje Nadace dřevo pro život.

Literatura
1. Anthony, R. – Drdácký, M. – Jirovský, I. – Kasal, B.: Rentgenová diagnostika dřevěných historických konstrukcí. In: Sborník Building Materials and Testing/Stavební materiály a zkušebnictví, 1.–3. říjen, Vysoké Tatry, 2003, Orgware/BERG TU Košice, s. 138–140.
2. Bláha, J. – Kloiber, M.: Nedestruktivní identifikace poškození dřevěných nosných konstrukcí u památkově chráněných objektů. In: Dřevoznehodnocující houby 2005. Sborník z konference TU Zvolen, 2005, s. 69–75.
3. Drdácký, M.: Experimental Approach to the Analysis of Historic Timber and Masonry Structures. In: Proceedings Structural Analysis of Historical Constructions. New Delhi: Macmillan India Ltd., 2007, Vol. 1, s. 25–40.
4. Drdácký, M.: Určování vlastností a stavu dřeva v zabudovaných konstrukcích. In: Dřevostavby. Sborník z odborného semináře se zahraniční účastí. VOŠ Volyně, 2007, s. 229–234.
5. Minster, J. – Drdácký, M. – Jirovský, I. – Kloiber, M. – Micka, M. – Slížková, Z. – Václavík, P.: Diagnostic Techniques to Assess Mechanical Characteristics of Historical Timber. In: Heritage, Weathering and Conservation. Londýn: Taylor & Francis Group, 2006, s. 667–673.