Tenzometria drevených konštrukcií Katedrály sv. Martina

Tenzometrické merania na nosnej konštrukcii dreveného krovu nad presbytériom Katedrály sv. Martina v Bratislave sa vykonali v rámci tepelnej sanácie (termosanácie) spomenutej konštrukcie. Termosanácia je moderná metóda sanácie drevených konštrukcií, ktorá je zameraná na likvidáciu drevokazného hmyzu pôsobením zvýšenej teploty.

Vzhľadom na to, že na Slovensku ide o pomerne málo rozšírenú sanačnú metódu, a zároveň s ohľadom na skutočnosť, že sa použila na historicky významnom objekte (obr. 1), úlohou meraní bolo sledovať, do akej miery zvýšená teplota ovplyvňuje stav a správanie nosnej konštrukcie a či sú spozorované zmeny trvalé, alebo len dočasné.

Obr. 1  Pohľad na strešnú konštrukciu presbytéria

Termosanácia – podstata metódy a technológia
Cieľom tepelnej sanácie je celoplošná likvidácia drevokazného hmyzu vo všetkých jeho vývojových štádiách v napadnutej drevenej konštrukcii. Aby sa proces termosanácie mohol považovať za úspešný, treba vnútri drevnej substancie (v jadre prierezov) dosiahnuť teplotu minimálne 55 °C aspoň počas jednej hodiny.
Zvýšenie teploty drevenej konštrukcie sa najčastejšie realizuje vháňaním horúceho vzduchu do priestoru dreveného krovu prostredníctvom teplovzdušného potrubia napojeného na teplovzdušné agregáty (obr. 2). Teplota „vyrábaného“ a vháňaného vzduchu podľa veľkosti konštrukcie a dĺžky prívodného potrubia dosahuje 100 až 120 °C. Proces termosanácie krovu nad presbytériom Katedrály sv. Martina v Bratislave sa vzhľadom na rozsah konštrukcie rozdelil na 3 etapy. Ako prvá sa ohrievala časť strešnej konštrukcie presbytéria spojená s vežou, ako posledná sa ohrievala časť strešnej konštrukcie nadväzujúca na strešnú konštrukciu nad hlavnou loďou katedrály.

Obr. 2  Inštalácia vykurovacích agregátov

Nosná konštrukcia krovu – nosný systém a meracie miesta
Krov nad presbytériom je štvorpodlažná konštrukcia. Konštrukčný systém prvých dvoch podlaží je vzperadlový rám vo forme ležatej stolice so zdvojeným stĺpikom v osi krovu s funkciou vešadla. Tretie podlažie je väznicová sústava – stojatá stolica s podopretím väzného trámu v strede väzby. V pozdĺžnom smere je krov vystužený krížovými vystužovadlami medzi ležatými stolicami plných väzieb v rovine strechy a vzperkami stojatej stolice v treťom podlaží krovu (obr. 3). Vplyv zmeny teploty počas termosanácie sa sledoval tenzometrickým meraním. Na meranie pomerných deformácií drevených prvkov sa použili odporové tenzometre, ktoré sa osadili na povrch vybraných nosných prvkov (obr. 4a). Lokalizácia meracích miest sa zvolila s ohľadom na nosný systém krovu (prvky, kde možno očakávať jednoduchý stav napätosti pri rovnomernej zmene teploty = osový ťah/tlak) a dostupnosť pre montáž tenzometrov (obr. 5). Meracie tenzometre sa osadili v plnej väzbe buď na hornej hrane horizontálnej vzpery (hambálok) v úrovni „stropu“ prvého poschodia konštrukcie krovu (10 meracích miest), alebo na povrchu šikmej vzpery v úrovni prvého poschodia konštrukcie krovu (2 meracie miesta). Jeden tenzometer sa osadil mimo konštrukcie – na samostatnej drevenej vzorke.

Obr. 3  Nosná konštrukcia krovu nad presbytériom

Obr. 4  Osadenie tenzometrov na prvku

Obr. 5  Priečny rez konštrukcie krovu nad presbytériom (plná väzba) a lokalizácia meracích miest (autor: Lubor Suchý)

Meracie zariadenia
Vzhľadom na charakter a cieľ meraní (vplyv zmeny teploty na napätosť konštrukcie) sa použili dva typy zapojenia tenzometrov – polomost bez kompenzačného tenzometra (s presným odporom) a polomost s kompenzačným tenzometrom. Meracie miesto sa pred spustením termosanácie obalilo izolačnou vlnou (obr. 4b), aby sa zabránilo jeho prípadnému lokálnemu prehriatiu od vháňaného horúceho vzduchu.

Priebeh a vyhodnotenie meraní
Meranie teploty
Vývoj teploty v krove počas termosanácie zaznamenávali pracovníci spoločnosti Thermo Sanace, s. r. o., na viacerých miestach nosnej konštrukcie krovu. Záznam merania teplôt na vybraných miestach ilustruje obr. 6.

Obr. 6  Meranie teploty v čase vo vybraných prvkoch počas termosanácie v etape 3

Pomerné deformácie
Na základe výsledkov nameraných pomerných deformácií (obr. 7) možno konštatovať, že vzhľadom na objemové zmeny materiálu sa na povrchu pravdepodobne výraznejšie prejavuje zmena objemu vplyvom zmeny vlhkosti (vysychanie, napučiavanie) ako zmena objemu vplyvom teplotnej rozťažnosti materiálu. Keďže zmena vlhkosti drevených prvkov sa počas termosanácie nemerala, nedá sa vyhodnotiť priama súvislosť medzi jej zmenou a meranými pomernými deformáciami. Vzhľadom na fyzikálne vlastnosti dreva sa však dá rovnako očakávať výraznejší vplyv zmeny vlhkosti ako vplyv zmeny teploty na objemové zmeny dreva (súčinitele objemovej rozťažnosti vplyvom zmeny vlhkosti sú približne 104-krát väčšie ako súčinitele teplotnej rozťažnosti).

Obr. 7  Meranie pomerných deformácií v čase počas termosanácie v etape 3

Taktiež sa výraznejšie prejavila zmena objemu prvkov v smere kolmo na vlákna v porovnaní so smerom rovnobežným s vláknami. Namerané hodnoty pomerných deformácií kolmo na vlákna (4 odpor, 6 odpor, 6 kompenzácia) sú niekoľkonásobne väčšie ako pomerné deformácie merané rovnobežne s vláknami. Takáto tendencia je v súlade s teoretickými údajmi o objemovej rozťažnosti dreva, kde sa všeobecne udáva pomer medzi jednotlivými smermi aTan : aRad : aLin = 15 : 10 : 1 (približne rovnaký pomer platí aj pre zmenu objemu vplyvom vlhkosti a teplotnú rozťažnosť). Výraznejšie objemové zmeny sa pravdepodobne objavili iba v povrchových vrstvách materiálu, pretože vo väčšine prípadov výsledky pomerných deformácií relatívne verne sledujú zmenu teploty v krove v procese jeho termosanácie (nárast teploty = nárast pomerných deformácií) a po ochladení krovu sa postupne vytrácajú. Treba však poznamenať, že výsledky z meracích miest bez kompenzácie (označenie zapojenia „odpor“) sú zaťažené aj vplyvom teploty na merací obvod (tenzometer, napájacie káble a pod.), preto možno skôr sledovať tendencie meraných údajov ako vyhodnocovať presné numerické výsledky. Pri použití kompenzácie by malo byť skreslenie meraných výsledkov menšie, takisto ho však nemožno vylúčiť, jednak z dôvodu, že drevo je výrazne nehomogénny materiál (hrče, trhliny, smer vlákien a pod.), a jednak preto, že kompenzačné tenzometre sa nedali umiestniť na vzorky dreva odobraté z konštrukcie krovu, ale použili sa vzorky bežne dostupného reziva.

Normálové napätia
Napätosť nosnej konštrukcie sa vyhodnotila iba pre meracie miesta s kompenzáciou a orientáciou tenzometrov rovnobežne s vláknami (označenie 1 až 5 kompenzácia). Na základe dosiahnutých výsledkov (obr. 8) možno konštatovať, že vplyvom objemových zmien vznikajú vo vybraných prvkoch nosnej konštrukcie (hambálok, vzpera) prevažne tlakové napätia, ktoré pravdepodobne súvisia s teplotnou dĺžkovou rozťažnosťou materiálu.

Obr. 8  Vyhodnotenie normálových napätí v čase  počas termosanácie v etape 3

Ich nárast a pokles totiž nesledujú vývoj okolitej teploty v krove, ale majú určitý fázový posun, podobne ako pri priebehu teplôt meraných v jadre prierezov. Ani v čase ukončenia tenzometrického merania (niekoľko hodín po skončení ohrievania) napätia úplne nevymizli. Podľa výsledkov dlhodobých meraní na vybraných prvkoch však možno konštatovať, že normálové napätia postupne poklesli až na úroveň napätosti konštrukcie pred jej termosanáciou (obr. 9).

Obr. 9  Vyhodnotenie normálových napätí v čase podľa výsledkov dlhodobých meraní

Vizuálna obhliadka konštrukcie
Pred začiatkom termosanácie a takisto po jej ukončení sa vykonala vizuálna obhliadka drevenej konštrukcie. Na kontrolovaných prvkoch a ich spojoch neboli viditeľné žiadne poruchy, ktoré by sa mohli spájať s ohrievaním strešnej konštrukcie (nové alebo neprimerane roztvorené trhliny, uvoľnené tesárske spoje a pod.). Rovnako sa počas procesu termosanácie nespozorovali žiadne iné prejavy vzniku porúch nosného systému (zvuky, otrasy a pod.).

Závery
Na základe výsledkov meraní počas termosanácie strešnej konštrukcie nad presbytériom Katedrály sv. Martina v Bratislave možno formulovať tieto závery:

• výrazná zmena (nárast) teploty v konštrukcii ovplyvňuje napätosť nosnej konštrukcie v dôsledku jej objemových zmien iba dočasne, po ochladení konštrukcie sa tento vplyv postupne vytráca;
• objemové zmeny v smere kolmom na vlákna sa prejavujú niekoľkokrát výraznejšie ako objemové zmeny v smere rovnobežnom s vláknami;
• objemové zmeny spôsobené teplotnou rozťažnosťou materiálu sú na povrchu prvkov pravdepodobne zanedbateľné vzhľadom na objemové zmeny, ktoré súvisia so zmenou vlhkosti dreva (vysúšanie, napúčanie);
• pri vizuálnej kontrole stavu konštrukcie pred termosanáciou a po nej sa nespozorovali žiadne poruchy, ktoré by sa mohli prisudzovať nadmernému zvýšeniu teploty alebo neúmernému vysúšaniu drevenej konštrukcie (trhliny, uvoľnené spoje a pod.).

Vzhľadom na počet meraní treba poznamenať, že na Slovensku išlo o pilotný projekt a na formuláciu všeobecných záverov by sa mal realizovať väčší počet experimentálnych meraní, ktoré by vytvorili štatisticky hodnotiteľný súbor. Uskutočnené merania sú však dobrým predpokladom na ďalší rozvoj termosanácie a skúmanie jej vplyvu na nosnú konštrukciu historicky významných objektov.

TEXT: doc. Ing. Jaroslav Sandanus, PhD., Ing. Miloš Slivanský, PhD.
FOTO a OBRÁZKY: archív autorov, Lubor Suchý

Autori pôsobia na Katedre kovových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Sandanus, J. – Slivanský, M.: Tenzometrické meranie konštrukcie krovu nad presbytériom Katedrály sv. Martina v Bratislave počas termosanácie a určenie vplyvu termosanácie na nosnú konštrukciu krovu. Bratislava, 2011.

Článok bol uverejnený v Stavebné Materiály.