pobierz - Drewno

Transcription

pobierz - Drewno

INSTYTUT TECHNOLOGII DREWNA
WOOD TECHNOLOGY INSTITUTE
DREWNO
PRACE NAUKOWE ● DONIESIENIA
KOMUNIKATY
WOOD
RESEARCH PAPERS ● REPORTS ● ANNOUNCEMENTS
Vol. 53
POZNAŃ 2010
Nr 183
Wydanie publikacji dofinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
The journal is financially supported by Polish Ministry of Science and Higher Educations
Recenzenci (Reviewers): doc. dr hab. Andrzej Fojutowski, mgr inż. Andrzej Noskowiak,
dr inż. Grzegorz Pajchrowski, prof. dr hab. h.c. Włodzimierz Prądzyński
Publikacje indeksowane są w bazach danych (Publications are indexed in the databases): Science Citation Index Expanded – http://thomsonreuters.com, BazTech –
http://baztech.icm.edu.pl, DREWINF – http://www.itd.poznan.pl, The Central European
Journal of Social Sciences and Humanities – http://cejsh.icm.edu.pl
Artykuły polskojęzyczne zawierają streszczenia w języku angielskim, a obcojęzyczne –
w języku polskim. Spisy treści, streszczenia i pełne teksty artykułów są dostępne na
stronie www.itd.poznan.pl/pl/drewno
Polish language articles have summaries in English language, and foreign language
articles have summaries in Polish language. Tables of contents, summaries, and full
versions of the articles are available at www.itd.poznan.pl/pl/drewno
Wydawca (Editorial Office): Instytut Technologii Drewna
ul. Winiarska 1, 60-654 Poznań, Polska (Poland)
Adres Redakcji (Publishers' address): Instytut Technologii Drewna
ul. Winiarska 1, 60-654 Poznań
tel. +48/61 849 24 01, +48/61 849 24 61, fax +48/61 822 43 72,
e-mail: [email protected]
© Copyright by Instytut Technologii Drewna w Poznaniu
Poznań 2010
ISSN 1644-3985
Projekt okładki (cover design): Piotr Gołębniak
Redaktor (editor): Edward Grześkowiak
Skład komputerowy (copmuter typesetting): BookArt Poznań
Druk (print): Studio Poligrafia, ul. Bułgarska 10, 60-321 Poznań, tel. 061 867 53 72
Nakład (edition): 520 egz.
SPIS TREŚCI – CONTENTS
Prace naukowe – Research papers
Wojciech CICHY, Jacek PAWŁOWSKI: Współspalanie węgla kamiennego
i odpadów drzewnych na urządzeniach energetycznych małej mocy
(Co-burning of hard coal and wood waste in low power energy installations) ...........................................................................................................
5
Agnieszka JANKOWSKA, Krzysztof J. KRAJEWSKI, Stefan TARASIUK: The
effect of polymethyl methacrylate impregnation on mechanical properties
of pine wood degraded by fungi (Wpływ nasycania polimetakrylanem metylu na właściwości mechaniczne drewna sosny zdegradowanego przez
grzyby) ........................................................................................................
35
József GARAB, József SZALAI: Comparison of anisotropic strength criteria in
the biaxial stress state (Porównanie anizotropowych kryteriów wytrzymałości w dwuosiowym stanie naprężeń) ........................................................
51
Stig-Inge GUSTAFSSON: The strength properties of Swedish oak and beech
(Właściwości wytrzymałościowe szwedzkiego drewna dębowego i bukowego) ..........................................................................................................
67
Manja KITEK KUZMAN, Sergej MEDVED, Srečko VRATUŠA: Evaluation of
Slovenian contemporary timber construction (Ocena współczesnego słoweńskiego budownictwa drewnianego) .......................................................
85
Doniesienia – Reports
Iwona POMIAN, Andrzej FOJUTOWSKI, Hanna WRÓBLEWSKA, Magdalena
KOMOROWICZ, Aleksandra KROPACZ, Andrzej NOSKOWIAK: Research on
wood submerged in the sea (Badania drewna zatopionego w morzu).........
101
Jacek KROMULSKI, Tadeusz PAWLOWSKI, Krzysztof ZEMBROWSKI: Identification of ODS and dynamics characteristics of chain saws (Identyfikacja
ODS oraz charakterystyka dynamiczna pilarek łańcuchowych) .................
113
Komunikaty – Announcements
Władysław STRYKOWSKI: Wyróżnienia w dziedzinie drzewnictwa (Awards in
the field of wood science) ............................................................................
127
Grzegorz WIELOCH: 3rd International Scientific Conference “Woodworking
Technique” in Zalesina (Croatia) (3. Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Technika Obróbki Drewna” w Zalesinie (Chorwacja)).................
131
Małgorzata WALKOWIAK, Wojciech CICHY: Recykling i wykorzystanie drewna poużytkowego i odpadów drzewnych (Recycling and disposal of used
wood and wood residues) ............................................................................
135
Jadwiga ZABIELSKA: VII Sympozjum „Czwartorzędowe sole amoniowe
i obszary ich zastosowania w gospodarce” (VII Symposium on „Quaternary ammonium salts and their applications in the economy”) ..................
139
Drewno. Pr. Nauk. Donies. Komunik. 2010, vol. 53, nr 183
PRACE NAUKOWE – RESEARCH PAPERS
Wojciech CICHY, Jacek PAWŁOWSKI 1
WSPÓŁSPALANIE WĘGLA KAMIENNEGO I ODPADÓW
DRZEWNYCH NA URZĄDZENIACH ENERGETYCZNYCH
MAŁEJ MOCY
Celem pracy było poznanie wpływu właściwości materiałów drzewnych zanieczyszczonych chemicznie na przebieg podstawowych parametrów procesu ich
współspalania z węglem kamiennym w urządzeniu kotłowym małej mocy. Dla
realizacji założonego celu przygotowano mieszanki paliwowe z trocin tartacznych,
poużytkowych odpadów drzewnych i węgla kamiennego. W pracy dokonano oceny
przygotowanych stałych paliw wtórnych oraz przeprowadzono próby ich spalania
na laboratoryjnej instalacji grzewczej małej mocy. Pozytywne wyniki badań dają
nadzieję na zastąpienie dotychczas stosowanych paliw drzewnych pochodzenia
leśnego stałymi paliwami wtórnymi wytwarzanymi z odpadów drzewnych.
Słowa kluczowe: odpady drzewne, stałe paliwa wtórne, gospodarka odpadami,
termiczne przekształcanie odpadów z odzyskiem energii,
współspalanie materiałów drzewnych z węglem kamiennym,
emisje gazowych produktów spalania
Wstęp
W ostatnim okresie obserwuje się w naszym kraju olbrzymie zainteresowanie
biomasą drzewną stanowiącą nośnik tzw. energii odnawialnej. Taki stan rzeczy
w dużej mierze wynika z międzynarodowych zobowiązań Polski w tej dziedzinie zawartych m.in. w protokole z Kioto. Zapotrzebowanie to może zostać
niezaspokojone wobec niskiej podaży drewna na krajowym rynku oraz ograniWojciech CICHY, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
Jacek PAWŁOWSKI, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
6
Wojciech CICHY, Jacek PAWŁOWSKI
czeń prawnych w stosowaniu drewna leśnego w przemyśle energetycznym
[Rozporządzenie 2008]. Cytowane przepisy wymuszają stopniowe odchodzenie
od biopaliw stałych pochodzenia leśnego przy produkcji energii elektrycznej
i ciepła na korzyść biopaliw stałych pochodzących z upraw, odpadów rolniczych
oraz odpadów komunalnych. Taki stan rzeczy powoduje, iż nowego znaczenia
nabierają wydzielone z odpadów komunalnych drzewne odpady poużytkowe.
Jednym z podstawowych kierunków wytwarzania energii elektrycznej
i ciepła ze źródeł odnawialnych jest współspalanie paliw konwencjonalnych
(głównie węgla) z paliwami z biomasy. W takiej sytuacji zastąpienie czystej
biomasy pochodzenia leśnego poużytkowymi odpadami drzewnymi może być
bardzo ciekawym rozwiązaniem. Dodatkowo znalezienie alternatywnego wobec
drewna leśnego, odnawialnego nośnika energii mogłoby, chociaż w części, rozwiązać problem niedoboru biomasy przeznaczonej do wytwarzania energii.
Badania przeprowadzone w latach 2002–2003 w Instytucie Technologii
Drewna w Poznaniu pokazały skalę tego zjawiska. Jak wynika z opublikowanych danych [Ratajczak i in. 2003] w samym tylko roku 2002 wytworzono
w Polsce około 5 mln m3 drewna poużytkowego. Co prawda jedynie nieznaczna
część tej masy odpadów trafiła na składowiska odpadów komunalnych.
Większość z nich po nieznacznym przysposobieniu została wykorzystana
w charakterze paliwa w wielu gospodarstwach domowych.
W dostępnej literaturze brak jest informacji na temat zachowania się mieszanek paliwowych składających się węgla i odpadów drzewnych zanieczyszczonych chemicznie w trakcie energetycznego spalania [Ściążko, Zuwała, Pronobis
2007; Rybak 2006; Wandrasz, Wandrasz 2006]. Dlatego też niezbędne jest
przeprowadzenie pogłębionych badań mających na celu poznanie zjawisk
zachodzących w rzeczywistym palenisku, a mogących wywierać znaczący
wpływ zarówno na sam proces spalania stałych paliw wtórnych otrzymanych
z poużytkowych odpadów drzewnych wraz z węglem, jak i na tworzenie się
niebezpiecznych dla środowiska produktów procesu ich spalania.
Cel pracy
Celem pracy było poznanie wpływu właściwości materiałów drzewnych zanieczyszczonych chemicznie na przebieg podstawowych parametrów procesu ich
współspalania z węglem kamiennym w urządzeniu kotłowym małej mocy.
Zakres pracy
Opisane badania stanowią kontynuację wcześniejszych prac [Cichy 2004,
2007a,b; Cichy, Pawłowski 2007, 2008a,b] prowadzonych w Instytucie Technologii Drewna w Poznaniu. Przedstawione prace doświadczalne polegały na
Współspalanie węgla kamiennego i odpadów drzewnych ...
7
energetycznym przetworzeniu przygotowanych mieszanek paliwowych uzyskanych z materiałów drzewnych i węgla kamiennego. Do przygotowania mieszanek paliwowych wykorzystano:
− meble poużytkowe, nazywane niekiedy „starymi” meblami,
− węgiel kamienny,
− trociny tartaczne z drewna iglastego.
Wytypowane materiały poddano analizom laboratoryjnym w celu oceny ich
właściwości paliwowych takich jak zawartość popiołu, wartość opałowa, skład
elementarny paliwa (C, H, N, S).
W zasadniczej części pracy przeprowadzono badania na stanowisku badawczym składającym się z urządzenia kotłowego małej mocy przystosowanego do
spalania drewna. Stanowisko zostało szczegółowo opisane we wcześniejszych
pracach [Cichy, Pawłowski 2007, 2008a,b]. W trakcie doświadczeń prowadzonych przy optymalnych parametrach pracy urządzeń kotłowych kontrolowano
temperatury panujące wewnątrz paleniska badawczego oraz wydajność cieplną
urządzenia kotłowego. Czynnikiem obserwowanym był skład gazów spalinowych emitowanych poprzez komin do atmosfery.
Metodyka pracy
Surowce do badań
Do prac doświadczalnych użyto dwóch rodzajów odpadów drzewnych (mebli
poużytkowych, trocin iglastych) oraz paliwa konwencjonalnego – węgla.
Wybrane materiały cechowały następujące właściwości:
− meble poużytkowe rozdrobnione do postaci drobnych zrębków i wiórów;
materiał do badań otrzymano poprzez rozdrobnienie wycofanych z użytkowania mebli skrzyniowych – wykonanych z płyt wiórowych, drewna litego
z udziałem sklejki lub płyty pilśniowej. Okres użytkowania tych mebli wynosił około 40 lat,
− trociny tartaczne – z przetarcia i strugania drewna iglastego,
− węgiel kamienny – o nazwie handlowej „Ekogroszek”, konfekcjonowany
w workach o masie 25 kg i gwarantowanych przez dostawcę właściwościach:
− granulacja 5÷25 mm,
− węgiel kamienny energetyczny; typ 31.2,
− wartość opałowa > 26 MJ/kg,
− zawartość popiołu do 10%,
− zawartość siarki < 0,6%.
8
Przygotowanie próbek do badań
Wytypowane do badań materiały rozdrobniono do odpowiedniej postaci:
− pyłu i drobnych trocin do analiz laboratoryjnych,
− drobnych zrębków i „grubych” wiórów do badań procesów spalania.
W przypadku ekogroszku rozdrabniano jedynie materiał przeznaczony do analiz
laboratoryjnych.
Przygotowanie próbek do badań ćwierćtechnicznych
Wstępnie pocięte odpadowe materiały drzewne rozdrabniano przy pomocy
rozdrabniacza mechanicznego. Ze względu na odpowiednią dla badań ćwierćtechnicznych granulację, trocin tartacznych nie rozdrabniano. Nie rozdrabniano
również paliwa węglowego.
Wytypowane materiały mieszano w ustalonych proporcjach zestawionych
w tabeli 1. Szczególnie interesujące dla autorów było poznanie wpływu udziału
substancji balastowych na wielkość emisji gazowych produktów spalania, mających wpływ na ewentualne zagrożenia dla środowiska. Zastosowanie w przygotowanym paliwie 1% udziału obciążonych chemicznie odpadów wynikało
z obowiązujących w Polsce uregulowań prawnych pozwalających na spalanie
odpadów innych niż niebezpieczne w ilości nie większej niż 1% w mieszance
z konwencjonalnym paliwem na typowych instalacjach energetycznych.
Tabela 1. Skład przygotowanych do badań mieszanek paliwowych
Table 1. The content of fuel mixtures prepared to investigation
Meble poużytkowe
L.p.
No.
Post-consumer
furniture
Węgiel kamienny
Hard coal
L.p.
No.
Trociny iglaste
Węgiel kamienny
Softwood sawdust
Hard coal
[%]
[%]
1.
100
0
8.
100
0
2.
50
50
9.
50
50
3.
25
75
10.
25
75
4.
15
85
11.
15
85
5.
5
95
12.
5
95
6.
1
99
13.
1
99
7.
0
100
14.
0
100
Próbki kierowano do analiz laboratoryjnych po wstępnym wysuszeniu do
uzyskania średnicy ziaren mniejszych niż 0,008 mm.
9
Analizy elementarne
Analizy w zakresie zawartości węgla, wodoru, azotu i siarki prowadzono z użyciem analizatora typu Flash EA 1112 Series firmy Thermo Electron Corporation.
Zakres pracy aparatu wynosił 0,01÷100%. Analizowane próbki suszono do stałej
masy w temperaturze 103°C. Do analiz przygotowano naważki o masie około
3 mg. Wzorcem stosowanym przy kalibracji był sulfanilamid.
Oznaczenia podstawowych właściwości paliwowych
Oznaczenia wilgotności prowadzono metodą suszarkowo-wagową, zgodnie
z procedurą opisaną w normie [PN-93/Z-15008/02].
Oznaczenia zawartości popiołu prowadzono, posługując się procedurą przedstawioną w normie [PN-93/Z-15008/03].
Oznaczenia ciepła spalania i wyznaczenie wartości opałowej przeprowadzono
posługując się procedurą opisaną w normie [PN-93/Z-15008/04; PN-81/
G-04513] przy wykorzystaniu kalorymetru laboratoryjnego typu KL 12 Mn
firmy Precyzja-BIT.
Obliczenia wartości opałowej mieszanek paliwowych dokonano w oparciu
o procedurę opisaną w literaturze [Wandrasz, Wandrasz 2006].
Próby spalania mieszanek paliwowych w skali ćwierćtechnicznej
Próby spalania w skali ćwierćtechnicznej przeprowadzono w oparciu o własną
procedurę opracowaną w trakcie wcześniejszych prac badawczych [Cichy 2004;
Cichy 2007a; Cichy, Pawłowski 2008].
Charakterystyka stanowiska badawczego
Podstawowym elementem stanowiska badawczego było urządzenie energetyczne małej mocy przeznaczone do spalania paliw stałych, głównie drewna.
W pracy wykorzystano kocioł typu Futura Bio 25 o wydajności cieplnej 25 kW,
firmy CHT-Cichewicz.
Szczegółowy opis stanowiska wraz z parametrami technicznymi poszczególnych wchodzących w jego skład urządzeń przedstawiono we wcześniejszych
pracach [Cichy, Pawłowski 2008b, 2009].
Pomiary prowadzone w trakcie badań procesów spalania
Analiza gazów spalinowych odbywała się przy wykorzystaniu automatycznego
analizatora spalin Lancom Series II firmy Land Combusion, umożliwiającego
pomiar składu gazów spalinowych w zakresie zawartości tlenu, tlenku i ditlenku
węgla, tlenku i ditlenku azotu, ditlenku siarki i węglowodorów.
Pomiaru temperatur panujących wewnątrz paleniska badawczego dokonywano w odstępach 2-minutowych przy użyciu czujnika temperatury (termopary
typu K) i cyfrowego miernika temperatury.
10
Pomiary parametrów energetycznych urządzeń kotłowych prowadzono
z użyciem ciepłomierza elektronicznego typu CE 3 firmy PoWoGaz S.A,
rejestrując m.in. energię medium grzewczego (GJ) i moc chwilową (kW). Parametry rejestrowano w odstępach dwóch minut.
Przebieg badań
Opracowana procedura badawcza składała się z następujących elementów:
− rozpalanie paliwa w palenisku i spalanie paliwa pod kotłem do momentu
uzyskania optymalnych parametrów procesu spalania,
− okres dochodzenia do stabilnych warunków procesu (3 godziny),
− stabilizacja procesu przy założonych warunkach pracy (około 1 godziny),
− analiza procesu spalania:
− pomiar temperatur panujących wewnątrz paleniska,
− pomiar stężenia gazów spalinowych,
− pomiar parametrów spalania,
− pomiar parametrów energetycznych procesu,
− wygaszanie paleniska.
Badania prowadzono na czynnej instalacji. W tym czasie urządzenia kotłowe
utrzymywały moc cieplną zbliżoną do 75% mocy znamionowej. W trakcie całego okresu pomiarów nie występowały wahania średniej wartości parametrów.
Cykl pomiarowy składał się co najmniej z 30 analiz. W praktyce przez co
najmniej 60 min w odstępach 2 min wykonywano po około 10 analiz, co dawało
w efekcie 50÷70 serii wyników1. Taka procedura była podyktowana programem
pomiarowym zainstalowanym w pamięci analizatora spalin oraz informacjami
zaczerpniętymi z literatury2 [Fodemski i in. 2001]. Uzyskane wyniki emisji
kominowych analizowanych gazów przeliczono na warunki normalne oraz
na 11% zawartość tlenu, zgodnie z przepisami obowiązującymi w Polsce
[PN-ISO 8756:2000].
Wyniki badań i ich omówienie
Właściwości paliwowe materiałów poddanych badaniom
Przed rozpoczęciem prób spalania dokonano oceny właściwości paliwowych
począwszy od określenia podstawowego składu chemicznego materiałów
zastosowanych w badaniach. Wyniki oznaczeń składu elementarnego przygotowanych mieszanek paliwowych przedstawiono w tabeli 2.
1
Seria pomiarów składała się następujących danych: data i dokładny czas pomiaru; temperatury: otoczenia i spalin; zawartości: CO, CO2, SO2, NO, NO2, NOx, CxHy, O2; sprawność
spalania, nadmiar powietrza.
2
Przy analizie spalin częstość pomiarów nie powinna być mniejsza niż 15 min.
11
Tabela 2. Zawartość podstawowych pierwiastków w badanych mieszankach paliwowych
Table 2. Content of basic elements in tested fuel mixtures
Zawartość pierwiastka
Element content
Skład mieszanki
Mixture composition
Węgiel
Wodór
Azot
Carbon Hydrogen Nitrogen
Siarka
Tlen*)
Sulfur
Oxygen
[%]
Meble poużytkowe
Węgiel kamienny
Post-consumer furniture
Hard coal
100
0
48,43
6,80
3,19
50
25
15
5
1
0
Trociny iglaste
50
75
85
95
99
100
Węgiel kamienny
61,58
68,16
70,79
73,42
74,47
74,73
6,06
5,69
5,54
5,39
5,33
5,32
2,34
1,92
1,75
1,58
1,51
1,49
Softwood sawdust
Hard coal
50,68
6,84
0,24
100
0
50
50
25
75
15
85
5
95
1
99
0
100
*)
wartość wyznaczona z obliczeń
*)
value determined by calculation
62,71
6,08
68,72
5,70
71,12
5,55
73,53
5,40
74,49
5,34
74,73
5,32
n.w. – nie wykryto
0,87
1,18
1,30
1,43
1,48
1,49
n.w.
n.d.
0,34
0,51
0,58
0,65
0,67
0,68
n.w.
n.d.
0,34
0,51
0,58
0,65
0,67
0,68
40,30
25,47
18,06
15,09
12,12
10,94
1,64
41,92
26,28
18,46
15,33
12,20
10,95
1,64
n.d. – not detected
Z przedstawionych danych wynika, że materiały drzewne wybrane do badań
różniły się w zasadniczy sposób jedynie w odniesieniu do zawartości azotu.
Największe ilości tego pierwiastka stwierdzono w meblach poużytkowych
(3,19%), co wynikało ze znacznego udziału płyt wiórowych i sklejek w ogólnej
masie tych odpadów, przy produkcji których stosowano żywice aminowe.
Różnice zawartości węgla i wodoru w tych materiałach były konsekwencją wyższej zawartości azotu. Skład elementarny węgla kamiennego charakteryzował się
wyższą zawartość pierwiastkowego węgla (74,73%), siarki (0,68%) i tlenu
(1,64%).
Z opisanych powyżej materiałów palnych przygotowano mieszanki paliwowe,
które posłużyły do dalszych badań. Autorzy zamierzali wykazać różnice pomiędzy
12
współspalaniem czystej biomasy drzewnej w porównaniu z materiałami drzewnymi niosącymi pewien ładunek syntetycznych substancji chemicznych.
W tabeli 3 ukazano wpływ zmiany składu ocenianych mieszanek paliwowych na ich właściwości paliwowe. Z przedstawionych danych wynika, że
poddane badaniom materiały paliwowe cechowały się stosunkowo niską wilgotnością (8,78÷15,68%) i wysoką zawartością części lotnych (78,61÷79,39%) dla
paliw drzewnych, a tylko 33,2% dla węgla. Oceniane paliwa cechowała także
zróżnicowana zawartość popiołu – stosunkowo niska dla trocin iglastych
(0,32%), nieco wyższa dla mebli poużytkowych (1,24%) i relatywnie wysoka
dla węgla kamiennego (7,14%). Nieco wyższą zawartość niepalnych substancji
mineralnych w próbkach mebli poużytkowych można tłumaczyć obciążeniem
ocenianych materiałów substancjami balastowymi (np. mineralne pigmenty
w okleinach, resztki metalowych okuć i łączników w meblach poużytkowych).
Udział popiołu w zastosowanym do badań węglu kamiennym był stosunkowo
niewysoki (7,14%). Jak wynika z danych literaturowych [Kucowski, Laudyn,
Przekwas 1994] zawartość części niepalnych w krajowych węglach kamiennych
waha się w zakresie 20÷27%.
Tabela 3. Podstawowe właściwości paliwowe mieszanek przygotowanych do badań
Table 3. Basic fuel properties of mixtures prepared to investigation
Skład mieszanki
Rodzaj oznaczenia
Mixture composition
Determination type
Meble
poużytkowe
Post-consumer
furniture
Węgiel
kamienny
Wilgotność
Moisture content
Hard coal
Popiół
Ash
Części lotne
Calorific value
[%]
100
50
25
15
5
1
0
Trociny iglaste
0
50
75
85
95
99
100
Węgiel kamienny
Softwood sawdust
Hard coal
100
50
25
15
5
1
0
0
50
75
85
95
99
100
Wartość
opałowa
Volatile components
8,78
7,53
6,90
6,65
6,40
6,30
6,27
1,24
4,19
5,65
6,26
6,85
7,08
7,14
78,61
55,91
44,55
40,01
35,47
33,65
33,20
MJ/kg
17,070
22,276
24,879
25,920
26,961
27,378
27,482
15,68
10,98
8,62
7,68
6,74
6,36
6,27
0,32
3,73
5,44
6,12
6,80
7,07
7,14
79,39
56,30
44,75
40,13
35,51
33,66
33,20
16,096
21,789
24,636
25,774
26,913
27,368
27,482
13
Analizując wyniki oznaczeń wartości opałowej (w stanie roboczym) stwierdzić można, że zanieczyszczenia chemiczne zawarte w analizowanych próbkach
mebli poużytkowych nie wpłynęły w radykalny sposób na kaloryczność
spalanych materiałów. Wartość opałowa zmieniała się w nieznaczny sposób
od 16,096 do 17,070 MJ/kg, a w przypadku węgla kamiennego wynosiła
27,482 MJ/kg. Powyższe dane odnoszą się do substancji wyjściowych. Mieszanki paliwowe uzyskane przez zmieszanie materiałów wyjściowych w przedstawionych proporcjach stanowią wypadkową parametrów tych materiałów.
Stwierdza się jednocześnie, że oceniane materiały charakteryzują się bardzo
dobrymi właściwościami, umożliwiającymi zastosowanie ich w charakterze
mieszanek paliwowych paliw kopalnych z udziałem materiałów biomasowych.
Próby spalania badanych materiałów drzewnych
Laboratoryjna instalacja kotłowa posłużyła do przeprowadzenia prób spalania
mieszanek paliwowych przygotowanych z materiałów drzewnych i paliwa konwencjonalnego, jakim był węgiel kamienny. Zasadnicze badania poprzedzono
wstępnymi próbami, w których ustalono warunki spalania optymalne dla danego
rodzaju paliwa. Ustalone parametry procesu spalania to:
− granulacja paliwa – ustalona w trakcie rozdrabniania próbek,
− ilość dozowanego powietrza – regulowana nastawami w skali 0–5 (–) na
panelu sterującym,
− ilość dozowanego paliwa – regulowana czasem pracy dozownika i wielkością
przerwy pomiędzy cyklami pracy (s).
Po doprowadzeniu kotła do optymalnych, podanych przez producenta
parametrów pracy, do zasobnika kotła zasypywano odmierzoną ilość badanego
paliwa, rozpoczynając jednocześnie rejestrowanie mierzonych parametrów. Do
parametrów tych zaliczono:
− wielkość emisji do atmosfery gazowych produktów spalania (CO, CO2, NO,
NO2, CxHy, O2),
− sprawność procesu spalania,
− współczynnik nadmiaru powietrza.
Równolegle rejestrowano parametry cieplne wytworzone w trakcie pracy
laboratoryjnego układu kotłowego, do których zaliczono:
− jednostkową ilość ciepła wytworzonego przez układ,
− całkowitą ilość ciepła wytworzoną przez układ w trakcie spalania określonej
ilości badanego paliwa.
Uzyskane wyniki po przeliczeniu zestawiono na wykresach.
14
Spalanie mieszanek paliwowych otrzymanych z trocin iglastych
i węgla kamiennego
Ograniczona forma publikacji uniemożliwiła przedstawienie wszystkich obserwowanych czynników zmiennych. Zostały one szczegółowo omówione
w niepublikowanych materiałach [Cichy, Pawłowski 2008].
Rys. 1÷6 przedstawiają zestawione dane dla paliw uzyskanych z odpadów
czystego drewna (trociny iglaste) i tworzyw drzewnych (meble poużytkowe). Na
rys. 1 pokazano zmiany współczynnika nadmiaru powietrza λ w trakcie spalania
7,00
6,00
Udział
Udział
w
trocin
trocin
mieszance
wpaliwowej
mieszance
paliwowej
The
share
The share
of
ofsawdust
sawdust
ininthe
thefuel
fuel
mixture
mixture
5,00
4,00
3,00
100%
2,00
50%
25%
1,00
Współczynnik
Współczynnik λλλ [–]
[–]
Współczynnik
[-]
λλ coefficient
coefficient [–]
[–]
λ coefficient [-]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
7,00
15%
5%
1%
0%
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 1. Wielkość współczynnika nadmiaru powietrza w trakcie spalania mieszanek
paliwowych trociny iglaste – węgiel kamienny
Fig. 1. The value of air surplus coefficient during combustion of fuel mixtures made from
softwood sawdust and hard coal
15
analizowanych mieszanek paliwowych. Z zestawionych danych wynika, iż parametr ten wahał się w przedziale od 2,00 do 4,00. Jedynie w kilku momentach
procesu spalania wartości te zostały przekroczone. Związane to było generalnie
z zaburzeniami w procesie dozowania paliwa, obserwowanymi na początku
cyklu pomiarowego oraz na jego końcu. Chwilowy wzrost współczynnika λ
w kilku przypadkach (mieszanki z udziałem 100, 50 i 25% drewna) wynikał ze
zmian chwilowego składu mieszanek paliwowych, spowodowanych różnicami
ich gęstości. Pomimo bardzo dobrego wymieszania składników przed rozpoczęciem testów, w zasobniku paliwa następowało ich częściowe rozdzielenie, co
450
400
350
Udział
Udział
trocin w
trocin
wmieszance
mieszance
paliwowej
paliwowej
The
share
The share
of sawdust
sawdust
in
in the
the fuel
fuel
mixture
mixture
300
250
200
150
100%
100
50%
25%
50
Temperaturaspalin
spalin[ºC]
[°C]
Temperatura
Exhaust temperature o[°C]
Exhaust temperature [ C]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
15%
5%
450
1%
400
0%
350
300
250
200
150
100
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 2. Zmiany temperatur gazów spalinowych w trakcie spalania mieszanek paliwowych trociny iglaste – węgiel kamienny
Fig. 2. Changes in temperatures of combustion gases during combustion of fuel mixtures
made from softwood sawdust and hard coal
16
w efekcie zaowocowało nie do końca równą pracą paleniska. Nie stwierdzono,
by skład spalanych na ruszcie paleniska paliw wpływał bezpośrednio na wartość
współczynnika nadmiaru powietrza (λ).
Rys. 2 ukazuje przebieg zmian temperatury spalin mierzonych w przewodzie
kominowym. W trakcie testów temperatura zmieniała się w zakresie 100÷400ºC,
przyjmując najczęściej wartości z przedziału 250÷370ºC. Porównując uzyskane
dane z wartościami współczynnika nadmiaru powietrza (λ), można stwierdzić,
że wraz ze wzrostem temperatury gazów spalinowych spada wartość współczynnika λ; i odwrotnie: spadek temperatury spalin obserwuje się jako wzrost
współczynnika nadmiaru powietrza. Z powyższego wynika, że przy stałej ilości
paliwa dozowanego do spalania czynnikiem wpływającym na zmianę współczynnika λ i temperatury spalin może być ilość (porcja) paliwa spalana
w danym momencie na ruszcie paleniska. Podobnie jak w poprzednim przypadku, nie stwierdzono, by skład analizowanych paliw miał bezpośredni wpływ na
wysokość temperatur mierzonych w przewodzie paliwowym w trakcie procesu
spalania.
Na kolejnym wykresie (rys. 3) pokazano wartości energii wytworzonej przez
instalację cieplną w trakcie prób spalania przygotowanych mieszanek paliwowych. Z przedstawionych danych wynika, iż przy spalaniu tej samej masy
paliwa w zbliżonych warunkach procesu termicznego, wartość wytworzonej
energii rosła wraz ze spadkiem udziału trocin w spalanej mieszance paliwowej
0,06
0,116
0,109
0,103
0,096
0,092
0,08
0,087
0,1
0,079
Wartość wytworzonej energii [GJ]
The amount of energy generated [GJ]
0,12
0,04
0,02
0
100%
50%
25%
15%
5%
1%
0%
Mieszanki paliwowe – udział trocin
Fuel mixtures – the share of sawdust
Rys. 3. Wartość wytworzonej energii cieplnej w instalacji kotłowej w trakcie spalania mieszanek paliwowych trociny iglaste – węgiel kamienny
Fig. 3. The value of thermal energy generated in the boiler installation during combustion
of fuel mixtures made from softwood sawdust and hard coal
17
od 79 MJ dla paliwa ze 100% udziałem trocin do 116 MJ dla paliwa składającego się w 100% z węgla. Należy przypomnieć, iż oba składniki mieszanki
paliwowej różniły się znacznie – wartość opałowa węgla wynosiła 27,5 MJ/kg,
a trocin 16,1 MJ/kg. W takiej sytuacji stosunkowo niewielka różnica wytworzonej energii z obu składników mieszanki wynikała zapewne z różnego przebiegu
spalania obu tych materiałów.
Na kolejnych rysunkach (rys. 4÷6) przedstawiono wielkość emisji gazowych
produktów procesu w trakcie prób spalania analizowanych mieszanek paliwo12000
10000
Udział
Udział
trocin w
trocin
mieszance
w mieszance
paliwowej
paliwowej
The share
The share
of
sawdust
of sawdust
thefuel
fuel
ininthe
mixture
mixture
8000
6000
4000
2000
100%
50%
25%
0
3
Emisja
Emisja CO
CO [mg/m ]
CO emission [mg/m33]
CO emission [mg/m ]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
15%
5%
12000
1%
0%
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 4. Emisja tlenku węgla w przeliczeniu na 11% O2 w trakcie spalania mieszanek paliwowych trociny iglaste – węgiel kamienny
Fig. 4. Carbon oxide emission converted into 11% O2 during combustion of fuel mixtures
made from softwood sawdust and hard coal
18
wych otrzymanych z trocin iglastych i węgla kamiennego. Na rys. 4 pokazano
zmiany wielkości emisji tlenku węgla w trakcie spalania mieszanek paliwowych
trociny – węgiel kamienny. Z przedstawionych danych wynika, że wraz ze wzrostem temperatury w palenisku spadała wielkość emisji CO z około 12 g/m3
w początkowym (rozpałkowym) okresie pracy paleniska do około 1÷4 g/m3
w głównym okresie pomiarowym. Jak się wydaje, podstawowym czynnikiem
wpływającym na wielkość emisji tego gazu jest temperatura panująca w danym
momencie w palenisku. Niska wartość tego parametru, około 200÷400ºC, powodowała, że proces utleniania wytworzonych w palenisku parogazów przebiegał
ze stosunkowo niską wydajnością. Wzrost temperatury do poziomu 700÷1000ºC
sprawiał, że znaczna część wytworzonych gazów ulegała dopaleniu. Wzrost
temperatury w palenisku w późniejszym okresie cyklu spowodowany został
przez wydzieloną energię pochodzącą ze spalania tlenku węgla i węglowodorów. Analizując skład mieszanek paliwowych, zaobserwowano różnicę
w poziomach emisji CO pochodzących ze spalania węgla i trocin drzewnych.
Najwyższy średni poziom emisji (około 3,5 g/m3) stwierdzono przy spalaniu
paliwa ze 100% udziałem węgla. Wraz ze wzrostem zawartości drewna w paliwie odnotowano wyraźny spadek emisji tego gazu do poziomu około 450
mg/m3.
Przebieg zmian emisji tlenków azotu (NOx) w trakcie spalania analizowanych mieszanek paliwowych przedstawiono na rys. 5. Uzyskane w trakcie
pomiarów wyniki emisji tlenku (NO) i ditlenku azotu (NO2) przeliczono na
ditlenek azotu (NO2) zgodnie ze stosownymi procedurami. Następnie otrzymane
dane przeliczono na 11% zawartość O2 w gazach spalinowych. Przedstawione na
wykresie dane (rys. 5) pokazują, że poziom emisji NOx był związany ze składem
mieszanek paliwowych, a w szczególności z udziałem w nich węgla kamiennego. Dane zamieszczone w tabeli 2 pokazują, że zawartość azotu w ocenianych
mieszankach zmieniała się w zakresie od 0,24% w paliwie z 100% udziałem
trocin iglastych do 1,49% w paliwie o 100% zawartości węgla kamiennego. Jak
należało się spodziewać, najwyższy poziom emisji NOx stwierdzono w spalinach
powstałych przy spalaniu paliwa zawierającego 100% węgla. Uzyskane dane
oscylowały wokół wartości 480 mg NOx w 1 m3 gazów spalinowych. Podobnie
wyglądała sytuacja w przypadku mieszanek z 1÷25% udziałem trocin w spalanym paliwie. Dla pozostałych paliw poziomy emisji tlenków azotu wynosiły:
50% trocin – około 380 mg/m3, 100% trocin – 130 mg/m3.
Znaczne wahania wartości emisji NOx, widoczne szczególnie na początku
i na końcu cyklu pomiarowego, wynikały z przeliczenia niskich relatywnie
wartości emisji na 11% O2 przy niskiej zawartości gazowych produktów w spalinach (zawartość O2 zbliżona do 20,9%). Nierówny przebieg procesu spalania
uwidocznił zjawisko opisane we wcześniejszych pracach [Cichy 2004] – reakcje
utleniania i redukcji, przebiegające z udziałem tlenku węgla i tlenków azotu.
19
800
700
600
Udział
Udział
trocin w
trocin
wmieszance
mieszance
paliwowej
paliwowej
The share
share
The
of sawdust
sawdust
of
in
in the
the fuel
fuel
mixture
mixture
500
400
300
200
100%
100
50%
25%
0
20
40
60
80
100
120
140
160
15%
5%
800
1%
700
0%
x
3
Emisja
NOx [mg/m
]3
Emisja NO
[mg/m ]
NOx emission [mg/m3] 3
NOx emission [mg/m ]
0
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 5. Emisja tlenków azotu w przeliczeniu na NO2 w odniesieniu do 11% O2
w trakcie spalania mieszanek paliwowych trociny iglaste – węgiel kamienny
Fig. 5. Emission of nitrogen oxides converted into NO2 with reference to 11% O2 during
combustion of fuel mixtures made from softwood sawdust and hard coal
Efektem tego procesu jest z jednej strony redukcja tworzących się paliwowych
tlenków azotu, a z drugiej – utlenianie produktu niepełnego spalania paliwa
organicznego – tlenku węgla. Z powyższego wynika, że ograniczenie emisji
tlenków azotu metodami pierwotnymi (stopniowanie dozowania powietrza do
paleniska) jest również możliwe w paleniskach małej mocy o bardzo uproszczonej konstrukcji.
Podczas prób spalania mieszanek paliwowych trociny tartaczne – węgiel
kamienny nie stwierdzono obecności węglowodorów w spalinach powyżej
20
poziomu oznaczalności zastosowanej metody analitycznej, tj. około 0,01%. Nie
należy stąd wyciągać wniosku, że przy spalaniu tego rodzaju mieszanek paliwowych lekkie węglowodory w spalinach nie występują. Z zaistniałej sytuacji
wynika jedynie, że spalanie przebiega ze stosunkowo dużą sprawnością,
a wprowadzenie dodatkowego stopnia spalania umożliwiłoby zapewne dopalenie wytworzonego tlenku węgla i jeszcze większe podniesienie sprawności
procesu.
Na rys. 6 pokazano przebieg zmian emisji ditlenku siarki w trakcie spalania
mieszanek paliwowych z udziałem trocin iglastych i węgla kamiennego. Podob1200
1000
Udział
Udział
trocin
w
trocin
wmieszance
mieszance
paliwowej
paliwowej
Theshare
share
The
sawdust
ofofsawdust
in the fuel
in fuel
mixture
mixture
800
600
400
200
100%
50%
0
20
40
60
80
100
120
140
160
25%
-200
15%
1200
5%
1%
0%
1000
800
2
3
3
EmisjaSO
SO
[mg/m
]
Emisja
2 2[mg/m
3
SO2 emission
emission [mg/m
SO
[mg/m] 3]
0
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 6. Emisja ditlenku siarki w odniesieniu do 11% O2 w trakcie spalania mieszanek paliwowych trociny iglaste – węgiel kamienny
Fig. 6. Emission of sulfur dioxide with reference to 11% O2 during combustion of fuel
mixtures made from softwood sawdust and hard coal
21
nie jak w przypadku NOx, uzyskane w trakcie pomiarów wyniki przeliczono
na 11% zawartość tlenu w paliwie. Z przedstawionych danych jednoznacznie
wynika, iż wraz ze zmniejszeniem ilości trocin w ocenianych mieszankach paliwowych wzrastała emisja ditlenku siarki od zera, dla paliwa składającego się
w 100% z trocin iglastych do około 770 mg/m3 dla węgla kamiennego. Tak duże
zróżnicowanie poziomów emisji SO2 wynikało bezpośrednio z udziału związków siarki w spalanych mieszankach paliwowych. Dane zamieszczone
w tabeli 2 pokazują, iż zawartość siarki w ocenianych paliwach zmieniała się
w zakresie od 0,00% dla trocin iglastych do 0,68% dla węgla kamiennego.
Spalanie mieszanek paliwowych otrzymanych z poużytkowych mebli
i węgla kamiennego
W drugiej części pracy przeprowadzono próby spalania mieszanek paliwowych
sporządzonych z rozdrobnionych mebli poużytkowych oraz węgla kamiennego
o nazwie handlowej „Ekogroszek”.
Proces spalania mieszanek paliwowych: meble poużytkowe – węgiel
kamienny prowadzono przy takich samych parametrach pracy urządzeń kotłowych jak dla mieszanek trociny tartaczne – węgiel kamienny. Uzyskane w trakcie prób spalania wyniki pomiarów zestawiono na wykresach (rys. 7÷12).
Zmiany współczynnika nadmiaru powietrza λ przedstawiono na rys. 7.
Zestawione wyniki pokazują, że w głównym stadium procesu spalania wartość
współczynnika λ zmieniała się w zakresie 2,0÷3,8. Zasadnicze odchylenia od
tych wartości odnotowano w początkowym i końcowym okresie cyklu pomiarowego. Taki stan rzeczy związany był z nierównomiernym wypełnieniem paleniska, co miało miejsce zarówno na początku okresu pomiarowego, kiedy
paliwo do paleniska trafiało w mniejszych porcjach, jak i pod jego koniec, kiedy
objętość podajnika ślimakowego nie wypełniała się już w całości paliwem.
Pewną niedogodnością wpływającą na wzrost współczynnika λ było niejednorodne uziarnienie spalanych surowców. Zawartość cząstek różnej wielkości
i gęstości w ogólnej masie paliwa powodowała, że porcje paliwa dozowane
do paleniska różniły się masą substancji palnych. Zauważalne odchylenia od
wartości średnich wywołane były incydentalnymi zaburzeniami procesu spalania
wywołanymi tymi właśnie czynnikami. Nie stwierdzono natomiast istotnego
wpływu składu mieszanek paliwowych na wielkość współczynnika nadmiaru
powietrza podczas analizowanych cyklów pomiarowych.
Rys. 8 przedstawia zmiany temperatury gazów spalinowych zachodzące
w trakcie spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny. Jak wynika z zestawionych danych, temperatura spalin w głównym okresie
pomiarowym zmieniała się w zakresie od około 290ºC do około 380ºC. Podobnie, jak w przypadku współczynnika λ, niższe wartości temperatur spalin odnotowano na początku i końcu cyklu pomiarowego, co wynikało z konieczności
22
7,00
6,00
Udział
Udział mebli
mebli
poużytkowych
w mieszance
mieszance
w
paliwowej
paliwowej
The share
share of
of
The
post-consumer
post-consumer
furniture in the
furniture
in the
fuel mixture
fuel mixture
5,00
4,00
3,00
2,00
100%
50%
25%
1,00
Współczynnik λ [–]
Współczynnik λ [-]
λ coefficient [–]
λ coefficient [-]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
15%
5%
7,00
1%
0%
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 7. Wielkość współczynnika nadmiaru powietrza w trakcie spalania mieszanek
paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny
Fig. 7. The value of air surplus coefficient during combustion of fuel mixtures made from
post-consumer furniture and hard coal
rozgrzania instalacji kotłowej (początek cyklu) i obniżenia porcji paliwa trafiających na ruszt paleniska (koniec cyklu pomiarowego). Pomimo pewnego zróżnicowania nie było możliwe jednoznaczne stwierdzenie wpływu składu mieszanek
paliwowych na wartość temperatury spalin w analizowanych cyklach pomiarowych.
Kolejnym rejestrowanym w trakcie pomiarów czynnikiem, przedstawionym
na rys. 9, była wielkość wytworzonej przez układ kotłowy energii w trakcie
23
450
400
350
Udział mebli
Udział mebli
poużytkowych
poużytkowych
w mieszance
w mieszance
paliwowej
paliwowej
The
share of
The share of
post-consumer
post-consumer
furniture
the
furniture in the
fuel mixture
mixture
fuel
300
250
200
150
100%
100
50%
50
25%
Temperatura spalin
spalin [ºC]
[°C]
Temperatury
Exhaust temperature [°C]
o
Exhaust temperature [ C]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
450
15%
5%
1%
400
0%
350
300
250
200
150
100
50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 8. Zmiany temperatur gazów spalinowych w trakcie spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny
Fig. 8. Changes in temperatures of combustion gases during combustion of fuel mixtures
made from post-consumer furniture and hard coal
spalania ocenianych mieszanek paliwowych. Jak z powyższego zestawienia
wynika, wartości wytworzonej energii różniły się. Różnica pomiędzy skrajnymi
wartościami (mieszanki z 100% i 0% udziałem mebli poużytkowych) wynosiła
około 54%. Jak się wydaje, istotny wpływ na zróżnicowanie wartości tego
czynnika odgrywała zawartość węgla kamiennego w spalanym paliwie. Materiał
ten cechował się znacznie wyższą wartością opałową w porównaniu do paliwa
24
biomasowego, co w trakcie energetycznego spalania spowodowało wytworzenie
większej ilości energii przy wyższej jego zawartości w spalanej mieszance.
0,102
0,1
0,08
0,06
0,04
0,146
0,141
0,137
0,118
0,12
0,129
0,14
0,067
Wartość wytworzonej energii [GJ]
The amount of energy generated [GJ]
0,16
0,02
0
100%
50%
25%
15%
5%
1%
0%
Mieszanki paliwowe – udział mebli poużytkowych
Fuel mixtures – the share of post-consumer furniture
Rys. 9. Wartość wytworzonej energii cieplnej na instalacji kotłowej w trakcie
spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny
Fig. 9. The value of thermal energy generated in the boiler installation during combustion
of fuel mixtures made from post-consumer furniture – hard coal
Na rys. 10 zestawiono wyniki pomiarów emisji tlenku węgla w trakcie
spalania mieszanek paliwowych uformowanych z mebli poużytkowych i węgla
kamiennego w przeliczeniu na 11% zawartość tlenu w spalinach. Zestawione
dane pokazują, że dla wszystkich analizowanych próbek zawartość CO
w spalinach zmieniała się w zakresie od około 500 do 10500 mg/m3. Najwyższe
wartości emisji tlenku węgla przy spalaniu ocenianych paliw występowały na
początku i na końcu okresu badawczego, co związane było z rozpoczęciem
i zakończeniem cyklu badań. Stwierdzone w tym okresie bardzo wysokie emisje
CO w praktyce nie miały miejsca. Wysoka zawartość tlenku węgla spowodowana była efektem przeliczeń na 11% udział tlenu w spalinach. Emisja tlenku
węgla przy spalaniu ocenianych mieszanek paliwowych w zasadniczej części
cyklu pomiarowego kształtowała się na podobnym poziomie i wynosiła około
0,5÷1,5 g/m3 . Analiza przedstawionych wyników nie wykazała wpływu
składu mieszanek paliwowych na zawartość tlenku węgla w gazach spalinowych
w analizowanych warunkach procesu spalania.
25
15000
12000
Udział mebli
poużytkowych
w mieszance
paliwowej
paliwowej
The share
share of
The
of
post-consumer
post-consumer
furniture in the
furniture
in the
fuel mixture
fuel mixture
9000
6000
3000
100%
50%
25%
0
Emisja CO [mg/m33]
Emisja CO [mg/m ]
CO emission [mg/m33]
CO emission [mg/m ]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
15000
15%
5%
1%
0%
12000
9000
6000
3000
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 10. Emisja tlenku węgla w przeliczeniu na 11% O2 w trakcie spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny
Fig. 10. Carbon oxide emission converted into 11% O2 during combustion of fuel mixtures
made from post-consumer furniture and hard coal
Rys. 11 pokazuje zmiany emisji tlenków azotu przedstawionych jako
ditlenek azotu po przeliczeniu na 11% zawartość tlenu w spalinach w trakcie
spalania badanych mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny. Przedstawione dane pokazują, że wielkość emisji NOx zmieniała się
w zakresie od około 200 do 1400 mg/m3. Najwyższą zawartość tlenków azotu
obserwowano w trakcie spalania mieszanek paliwowych z najwyższym (100%
i 50%) udziałem mebli poużytkowych, które kształtowały się na poziomie
26
1500
1200
mebli
Udział mebli
poużytkowych
w mieszance
mieszance
w
paliwowej
paliwowej
The share of
The share of
post-consumer
post-consumer
furniture in the
furniture
in the
fuel mixture
fuel mixture
900
600
300
100%
50%
25%
0
Emisja NOx [mg/m33]
Emisja NOx [mg/m ]
NOx emission [mg/m3]
3
NOx emission [mg/m ]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1500
15%
5%
1%
0%
1200
900
600
300
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 11. Emisja tlenków azotu w przeliczeniu na NO2 w odniesieniu do 11% O2
w trakcie spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny
Fig. 11. Emission of nitrogen oxides converted into NO2 with reference to 11% O2 during
combustion of fuel mixtures made from post-consumer furniture and hard coal
750÷1400 mg/m3. Nieco mniejsze ilości tych substancji (od około 300 do
700 mg/m3) występowały w gazowych produktach spalania mieszanek zawierających od 25% do 0% mebli poużytkowych. Oceniane mieszanki paliwowe
różniły się w pewnym stopniu zawartością azotu elementarnego (tabela 2) i, jak
się wydaje, w wielkości tego parametru należy upatrywać przyczynę różnic
w średnich poziomach emisji NOx.
27
1200
900
Udział mebli
Udział
mebli
poużytkowych
poużytkowych
w
w mieszance
paliwowej
paliwowej
The share
share of
The
post-consumer
post-consumer
furniture in the
furniture in the
fuel mixture
fuel mixture
600
300
100%
50%
25%
0
33
Emisja SO
SO22[mg/m
[mg/m ]
Emisja
SO2 emission [mg/m33]
SO2 emission [mg/kg]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1200
15%
5%
1%
0%
900
600
300
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas [min]
Time [min]
Rys. 12. Emisja ditlenku siarki w odniesieniu do 11% O2 w trakcie spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel kamienny
Fig. 12. Sulfur dioxide emission converted into 11% O2 during combustion of fuel mixtures
made from post-commercial furniture and hard coal
Na kolejnym rysunku (rys. 12) pokazano przebieg zmian emisji ditlenku
siarki w trakcie spalania mieszanek paliwowych meble poużytkowe – węgiel
kamienny. Jak wynika z danych ukazanych na tych wykresach, wielkość emisji
SO2 była mocno związana z udziałem węgla kamiennego w badanych mieszankach paliwowych. W paliwie składającym się w 100% z odpadów drzewnych
stwierdzono jedynie śladowe ilości tego związku. Dodatek węgla kamiennego
do biomasy drzewnej powodował znaczący wzrost ditlenku węgla w spalinach,
28
który w skrajnym przypadku (paliwa z 99% i 100% zawartością węgla) sięgały
poziomu 900÷1100 mg/m3. Opisana sytuacja jest ściśle powiązana ze składem
elementarnym składników badanych mieszanek paliwowych. Jak wynika
z danych przedstawionych w tabeli 2, w badanych meblach poużytkowych nie
stwierdzono zawartości siarki na poziomie oznaczalności zastosowanej metody
analitycznej. Natomiast poddany badaniom węgiel kamienny („Ekogroszek”)
charakteryzował się udziałem siarki na poziomie 0,68%.
Podsumowanie
Porównując właściwości mieszanek paliwowych otrzymanych przez zmieszanie
trocin iglastych i węgla kamiennego oraz mebli poużytkowych i węgla
kamiennego, a także przebieg procesu ich spalania stwierdzono szereg różnic
i podobieństw pomiędzy nimi.
Wszystkie analizowane drzewne składniki paliw cechowały się zbliżonym
składem elementarnym w zakresie zawartości węgla, wodoru, azotu i siarki, co
wynikało z przekraczającego 99% udziału naturalnego drewna w ogólnej ich
masie. Istotne różnice stwierdzono jedynie w zawartości azotu w meblach
poużytkowych w porównaniu z trocinami iglastymi. W tym przypadku udział
mebli poużytkowych w mieszance przekładał się bezpośrednio na zawartość
azotu w ocenianym paliwie, co z kolei powodowało wzrost zawartości tlenków
azotu w gazach spalinowych. W przypadku paliwa węglowego dodatkowym
czynnikiem powodującym wzrost emisji toksycznych produktów spalania był
stosunkowo wysoki udział azotu (1,49%) i siarki (0,68%) w analizowanym
materiale. Efektem działania tych niekorzystnych czynników były zwiększone
(w odniesieniu do naturalnego drewna) emisje toksycznych produktów spalania
– tlenków azotu i ditlenku siarki.
Porównując właściwości paliwowe przygotowanych paliw z odpadów,
stwierdzono występowanie znaczących różnic w odniesieniu do ich wartości
opałowych, zawartości „części lotnych” oraz zawartości popiołu. Dodatek biomasy drzewnej (mebli poużytkowych lub trocin) do paliwa węglowego powodował obniżenie wartości opałowej i zawartości popiołu oraz wzrost zawartości
„części lotnych”, co należy odnotować jako korzystne zjawisko z punktu widzenia technologii energetycznego spalania.
Nie stwierdzono znaczących różnic przy porównaniu warunków procesu
spalania. Pomimo niewielkich rozbieżności proces ten przebiegał w podobny
sposób przy spalaniu mieszanek węgla z trocinami iglastymi i węgla z meblami
poużytkowymi. Pierwszym kryterium oceny było porównanie współczynnika
nadmiaru powietrza λ (–) dla obu rodzajów spalanych mieszanek. W obu przypadkach współczynnik ten przybierał wartości z zakresu 2,00÷2,5 z niewielkimi
odchyleniami wynikającymi z jednostkowych zaburzeń procesu spalania.
29
Na stosunkowo zbliżonym poziomie odnotowano temperatury rejestrowane
przez czujniki umiejscowione wewnątrz paleniska badawczego. Można z tego
wysnuć wniosek, iż różnice między drzewnymi składnikami paliw nie wpływały
w znaczący sposób na dynamikę procesu spalania. Potwierdzają to niewielkie
różnice w odnotowanych efektach energetycznych procesu, co jest szczególnie
widoczne przy porównaniu wartości wytworzonej energii dla poszczególnych
mieszanek paliwowych.
Brak znaczących różnic w rejestrowanych efektach energetycznych procesu
spalania ocenianych mieszanek paliwowych nie przekładał się natomiast na
poziom rejestrowanych emisji gazowych produktów spalania ocenianych mieszanek paliwowych.
Poziom emisji tlenku węgla był niższy dla mieszanek paliwowych zawierających meble poużytkowe. Przy ocenie zawartości tlenków azotu w spalinach
stwierdzono występowanie emisji na wyższym poziomie (około 400÷900
mg/m3) dla paliw z udziałem mebli poużytkowych. W tym jednak przypadku
przyczyną wielokrotnie wyższych emisji NOx był znaczący udział azotu w odpadach mebli poużytkowych w porównaniu do wolnych od zanieczyszczeń
chemicznych trocin iglastych. Dodatkowo, stosunkowo wysoka zawartość azotu
w węglu kamiennym powodowała występowanie zwiększonych emisji NOx
w porównaniu do paliw uzyskanych w 100% z materiałów drzewnych.
Ciekawe zjawisko odnotowano przy porównaniu emisji ditlenku siarki
w trakcie spalania ocenianych mieszanek paliwowych. Stwierdzono występowanie nieco wyższych emisji SO2 przy spalaniu mieszanek paliwowych z udziałem
mebli poużytkowych. Ponieważ żaden z drzewnych składników mieszanek
paliwowych nie zawierał siarki, przyczynę wyższych emisji ditlenku siarki można upatrywać w inhibicyjnym działaniu „czystego” drewna. Niewielki ładunek
zanieczyszczeń chemicznych, głównie pod postacią żywic aminowych, jak
widać znacznie ogranicza to działanie powodując zwiększenie emisji SO2
w odniesieniu do „czystych” trocin iglastych.
Możliwość praktycznego wykorzystania wyników badań – spalanie mieszanek
paliwowych przygotowanych z materiałów drzewnych i węgla kamiennego
Mieszanki paliwowe zawierające do 1% rozdrobnionych mebli poużytkowych
nie wykazywały odchyleń od zawartych w przepisach standardów emisyjnych
(w analizowanym zakresie). Takie paliwa mogą być spalane na większości instalacji energetycznych przeznaczonych do spalania paliw stałych.
Paliwa, zawierające w swoim składzie powyżej 1% rozdrobnionych mebli poużytkowych, nie spełniały wymagań standardów emisyjnych w zakresie dozwolonej emisji tlenków azotu (do 400 mg/m3). Równocześnie w trakcie prób
ćwierćtechnicznych stwierdzono przekroczenie emisji tlenku węgla i ditlenku
siarki. Jak wynika z doniesień literaturowych [Juszczak 2002] oraz własnych
30
doświadczeń [Cichy 2004], ograniczenie emisji tych substancji metodami
pierwotnymi (CO i NOx) nie powinno sprawiać większych problemów. Takie
postępowanie wpłynąć może korzystnie na wielkość emisji tlenków azotu, na
poprawę efektywności procesu spalania, a także w pewnym stopniu na redukcję
ditlenku siarki. Działania te możliwe są do przeprowadzenia jedynie na dużych
instalacjach przemysłowych. Jeszcze lepsze efekty redukcji zanieczyszczeń
można uzyskać przy zastosowaniu tzw. wtórnych metod ograniczenia emisji
tlenków siarki azotu [Marutzky, Seeger 1999], do których zalicza się m.in. katalityczny i niekatalityczny sposób ich redukcji.
Wnioski
Opisane doświadczenia oraz przeprowadzone na ich podstawie rozważania
pozwoliły na sformułowanie następujących stwierdzeń i wniosków:
1. W trakcie spalania mieszanek paliwowych otrzymanych z mebli poużytkowych i węgla kamiennego oraz trocin iglastych i drewna kamiennego zostaje
wytworzona znacząca ilość energii cieplnej możliwej do wykorzystania.
Wzrost udziału biomasy drzewnej w mieszankach nie wpływa znacząco na
ilość wytworzonej energii.
2. Spalaniu mieszanek paliwowych z udziałem węgla kamiennego i drewna
mebli poużytkowych oraz trocin iglastych na urządzeniu energetycznym
małej mocy towarzyszą emisje gazowych produktów spalania (tlenku węgla,
ditlenku siarki i tlenków azotu) stanowiące zagrożenie dla środowiska.
3. Bezpośredni wpływ na wielkość emisji tlenków azotu w trakcie spalania
mieszanek paliwowych z udziałem mebli poużytkowych na instalacjach
energetycznych małej mocy wywierał azot zawarty w tym paliwie pod postacią żywic aminowych. Dodatkowym czynnikiem zwiększającym emisję NOx
był azot zawarty w paliwie węglowym.
4. Spalanie na stanowisku badawczym mieszanek paliwowych wytworzonych
z udziałem węgla kamiennego oraz mebli poużytkowych i trocin iglastych
powodowało następujące efekty:
− 1% udział odpadów meblowych w mieszankach paliwowych nie powodował znaczących reperkusji w postaci podwyższonych emisji tlenków
azotu z instalacji,
− przy udziale mebli poużytkowych na poziomie wyższym od 1% emisje
NOx znacznie przekraczały standardy emisyjne,
− stwierdzono występowanie zwiększonych emisji ditlenku siarki w odniesieniu do paliw drzewnych, których przyczyną było utlenianie związków
siarki zawartych w paliwie węglowym.
5. Odnotowano wysoki poziom emisji tlenku węgla znacznie przekraczający
obowiązujące standardy emisyjne dla spalanych odpadów.
31
Literatura
Cichy W. [2004]: Badania wpływu składu chemicznego odpadów przemysłu drzewnego
w procesie termicznego rozkładu na emisję substancji szkodliwych do środowiska. Rozprawa doktorska., (Maszynopis). Akademia Rolnicza im. A.Cieszkowskiego, Poznań
Cichy W. [2007a]: Badania właściwości biopaliw stałych otrzymywanych z poużytkowych
odpadów drzewnych. (Maszynopis). Instytut Technologii Drewna, Poznań
Cichy W. [2007b]: Biopaliwa stałe na bazie odpadów drzewnych – możliwości otrzymywania, wykorzystanie, ograniczenia stosowania. W: Technologia drewna wczoraj, dziś
i jutro. Studia i szkice na Jubileusz Profesora Ryszarda Babickiego. Wydawnictwo Instytutu Technologii Drewna, Poznań
Cichy W., Pawłowski J. [2007]: Spalanie paliw formowanych uzyskanych z odpadowych
tworzyw drzewnych w sposób bezpieczny dla środowiska. (Maszynopis). Instytut Technologii Drewna, Poznań,
Cichy W., Pawłowski J. [2008a]: Stałe paliwa wtórne otrzymywane z odpadów drzewnych
zanieczyszczonych chemicznie. Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Postęp
w badaniach surowców lignocelulozowych i produktów ich konwersji”. Poznań –
Zielonka
Cichy W., Pawłowski J. [2008b]: Spalanie mieszanek paliwowych uzyskanych z odpadowych materiałów drzewnych i paliw konwencjonalnych. (Maszynopis). Instytut
Technologii Drewna, Poznań
Cichy W., Pawłowski J. [2009]: Combustion of solid recovered fuels made from post consumer wood waste in a power installation of low power. Drewno-Wood, vol. 52 [182]:
s. 25–63
Fodemski T.R. (Red.) [2001]: Pomiary Cieplne. Cz. II. Badania cieplne maszyn i urządzeń.
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
Juszczak M. [2002]: Ekologiczne spalanie odpadów drzewnych. Badania przemysłowe
ograniczania emisji tlenku węgla i tlenku azotu. Rozprawy nr 368, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań
Kucowski J., Laudyn D., Przekwas M. [1994]: Energetyka a ochrona środowiska. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
Marutzky R., Seeger K. [1999]): Energie aus Holz und anderer Biomasse. DRW-Verlag,
Leinfelden-Echterdingen
PN-ISO 8756:2000 Jakość powietrza. Postępowanie z danymi dotyczącymi temperatury,
ciśnienia i wilgotności
PN-81/G-04513 Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej
PN-93/Z-15008/02 Odpady komunalne stałe. Badania właściwości paliwowych. Oznaczanie
wilgotności całkowitej
zawartości części palnych i niepalnych
ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej
Ratajczak E., Szostak A., Bidzińska G. [2003]: Drewno poużytkowe w Polsce. Wydawnictwo Instytutu Technologii Drewna, Poznań
Rozporządzenie [2008] Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw
pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytwo-
32
rzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych
dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii.
Dz.U.2008.156.969
Rybak W. [2006]: Spalanie i współspalanie biopaliw stałych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
Ściążko M., Zuwała J., Pronobis M. (Red.) [2007]: Współspalanie biomasy i paliw alternatywnych w energetyce. Wydawnictwo Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla i Politechniki Śląskiej, Zabrze-Gliwice
Wandrasz J.W., Wandrasz A.J. [2006]: Paliwa formowane. Biopaliwa i paliwa z odpadów
w procesach termicznych. Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa
CO-BURNING OF HARD COAL AND WOOD WASTE
IN LOW POWER ENERGY INSTALLATIONS
Summary
This publication is an effect of experiments carried out at a test station consisting of low
power boiler adapted to wood combustion. During the experiments conducted at
optimum parameters of boiler operation the temperatures inside the test hearth and calorific effect were controlled. The observed factor was the composition of combustion
gases emitted to the atmosphere by the funnel.
The aim of the study was to identify the influence of the properties of chemically
contaminated wood materials on the course of basic parameters of the process of
co-burning of these materials with hard coal in a low power boiler.
Based on previous experiments the authors planned tests consisting in energy processing of prepared fuel mixtures obtained from post-consumer wood waste and hard
coal. Three kinds of materials used as fuel were taken for the tests: post-consumer furniture, hard coal, and industrial waste – sawmill softwood sawdust.
In obtained mixtures basic fuel properties were defined (calorific value, ash content
and moisture content) and the content of primary elements was determined (C, H, N and
S). Prepared fuels were burnt in the laboratory boiler installation. During tests the
following information was recorded: boiler work parameters, central heating installation
parameters and amount of emission of gaseous products of combustion.
Nitrogen in the form of amine resins contained in post-consumer furniture had
a direct influence on the amount of nitrogen oxides emission during combustion of fuel
mixtures with a share of post-consumer furniture. An additional factor increasing NOx
emission was nitrogen contained in coal fuel. Combustion of tested fuel mixtures caused
the following results: a 1% share of furniture waste in evaluated fuel did not cause any
significant repercussions in the form of elevated emissions of nitrogen oxides from the
installation; when the share of post-consumer furniture was higher than 1% NOx emissions exceeded the emission standards considerably; emissions of sulphur dioxide higher
33
than in the case of wood fuel without a share of coal were observed as well – the reason
for that was oxidation of sulphur compounds contained in coal fuel. The authors noted
a high level of carbon oxide emission that significantly exceeded effective emission
standards for burnt waste.
Obtained results may be a starting point for further research on the use of postconsumer and industrial wood waste as alternative fuels in the power industry.
Keywords: chemically contaminated wood materials, co-burning, low power boiler, emissions
Agnieszka JANKOWSKA, Krzysztof J. KRAJEWSKI, Stefan TARASIUK1
THE EFFECT OF POLYMETHYL METHACRYLATE
IMPREGNATION ON MECHANICAL PROPERTIES
OF PINE WOOD DEGRADED BY FUNGI
This paper presents results of investigations into possibility of using polymethyl
methacrylate to reinforce wood degraded by Phellinus pini (Thore) Fr. fungus.
It was found that impregnation of wood with the resin causes an increase in
mechanical properties. Nevertheless this increase is relatively greater for wood
degraded by biological agents than for undamaged wood. The behaviour of
wood-resin system after artificial ageing in laboratory conditions was observed.
The strength of wood treated with the resin was lower after artificial ageing
than the strength of wood without ageing. Similar tendencies of changes were
observed both in the case of wood degraded by biological agents and in the case
of undamaged wood.
Keywords: synthetic resin, degraded wood, reinforced wood, wood impregnation
with synthetic resin
Introduction
In practice of monument conservation nearly always there is a necessity to
choose the most proper (optimal) method for treatment of damaged elements
bearing significant historic values. The accepted conservation method should
ensure a lasting effect. One has to keep in mind that monuments/antique objects,
despite permanent care of the conservation service, are continuously exposed to
damaging factors both biotic and abiotic and that leads to gradual deterioration
of technical condition of these objects [Czajnik 1970]. A number of museums
are faced with the necessity to increase their effectiveness in the field of wood
protection, including also repairs of elements damaged by biotic agents. Too
often the desire to restore the original technical efficiency of wooden construcAgnieszka JANKOWSKA, Warsaw University of Life Sciences, Poland
Krzysztof J. KRAJEWSKI, Warsaw University of Life Sciences, Poland
Stefan TARASIUK, Warsaw University of Life Sciences, Poland
36
Agnieszka JANKOWSKA, Krzysztof J. KRAJEWSKI, Stefan TARASIUK
tion results in complete change of the original damaged elements and replacement of them by new ones. In many cases such attempt is contradictory to the
need to keep the monuments in their original untouched shape. Hence there is
a need for continuous search for new methods of saving the original elements
in wooden monuments. Although one should not forget the verification of
already existing, proven solutions capability to cope with specific problems
under different environmental conditions, with special attention given to lasting
character of the effects obtained.
Analysing project materials and carrying out field observations Krajewski
[1995] was curious about the general construction problems resulting from mistakes made in design and executive stages. The mistakes result in establishment
of conditions favourable to the expression of fungi which in turn may lead to
establishment of an environment favouring corrosion of wooden elements in
time. The weakened construction elements may then need mechanical support.
According to Jankowski [2004], except biological corrosion, another frequent
reason for wood damage are natural physical processes leading to cracks and
deformations of wooden elements, thus to decreased strength of the whole
construction. Moreover, any alteration of the way and range of the object use,
such as reconstruction or development, also may result in an increased burden of
the internal tensions in construction elements, thus lead to deflections or even
damage of the elements.
The strengthening of characteristics of wood in weakened structures is a difficult and disputable task, particularly so when it concerns monument objects.
One method of wooden monument conservation is to impregnate the wood
elements subject to deterioration with synthetic resins. To optimise the effect of
conservation it is necessary to use developed conservation agents that successfully passed lots of tests before they were recommended for practical (commercial) use in objects of great cultural and/or historic value. In the last few decades
many authors presented results of their studies on the implementation of
synthetic resins to wood strengthening. Czajnik [1968] investigated the effect of
wood impregnation with impregnates containing resins, i.e. polyacetatevinyl,
acrylic, epoxide and carbamide resins. He took into consideration the influence
of resin on selected physical parameters of wood and on wood resistance to the
infection by wood destroying fungi Coniophora cerebella (Pers.) Pers. and
Polysticus versicolor (L. ex Fr.) Fr. After impregnation with resins wood attributes changed in the following way: bending strength and wood strength in the
radial and tangential direction increased relatively the most significantly, whilst
wood hygroscopicity, absorptiveness, and swelling decreased. Another effect
observed in the reported study was the improved resistance to fungi. These
results fitted well the earlier study results of other researchers [Domasłowski
1960, 1961] and the general conclusions were in line with the results of studies
carried out with the use of different resins. The positive results of the above
The effect of polymethyl methacrylate impregnation on mechanical properties ...
37
reported studies were the well-grounded basis to give an impulse to implement
epoxide and carbamide resins, and also, but to a smaller degree, polyvinyl carbamide and polymethyl methacrylate for the protection of wood against wood
destroying fungi. The above listed resins were appreciated as applicable in conservation of wood damaged by fungi for wood impregnated with them was characterised by parameters similar to those of healthy wood.
Buksalewicz et al. [1987] defined the range of requirements that proper resin
solutions need to fulfil. These requirements also presented the state-of-the-art in
the field of research on penetration and spatial distribution of resin inside wood
emphasizing the advantages of wood strengthening acrylic impregnate as modified with the use of pentachlorophenol (Petrifo). Paciorek [1993] reviewed in
detail the literature in the area of resin applicability for wood strengthening using the example of an old sculpture destroyed by insects. He used the technique
of computer tomography to see the resin distribution in the impregnated object.
The author confirmed the effectiveness of implementation of the vacuum
method to impregnation of lime wood, as well as the necessity of using proper
mixture of solvents to avoid consequences of the reverse migration of resins.
The following substances were among tested thermoplastic materials soluble
in toluene: Winacet R-50, Osolan KL, and Paraloid B-72. Paraloid B-72 resin
proved to have been definitely more resistant to damaging activity of microorganisms than any other tested product, and at the same time it was 100%
resistant to colour change of impregnated wood.
Wieczorek [1992] listed and described all commercial products available on
the Polish market till late 1980s and aimed at strengthening wood structure in
monuments together with practical recipes and conditions of product use.
Schneider [1994] reviewed industrial methods of obtaining wood composites
with addition of polymers (WPC). He also described methods for conservation
of destroyed objects with the use of phenyl-formaldehyde resins and vinyl
resins.
The papers of Żaboklicki [1988] and Wiśniewski [1997] are also interesting
items in the field of wooden construction element strengthening. Both authors
described methods of structural wood strengthening and amended the wide
literature review and characteristics of the applied resins: phenol-formaldehyde
and epoxide. A synthetic resin solution applied on the surface of wood creates
protective coat or decorative coat, whilst the same medium in the form of low
percent solution (called an impregnate) applied to deeper regions of wood and
then hardened actively changes a number of wood properties, first of all increasing wood resistance to mechanical factors.
There is a wide spectrum of materials useful for hardening of wood in
antique objects [Soldenhoff 2004]. To achieve this synthetic resins are used.
These resins, according to the unanimous opinion of many researchers, are all
38
characterised with advantageous features [Stamm, Seborg 1936; Nakhla 1986;
Buksalewicz et al., 1987; Wieczorek 1992]:
− they have an increased ability to penetrate deep inside the wood,
− they increase mechanical strength of wood at minimum amounts of the resin
used,
− they are resistant to both biotic and abiotic damaging factors,
− they do not cause any discoloration of impregnated wood, an attribute particularly important in the case of conservation of antique objects,
− they have no destructive effect on treated wood,
− water does not wash them off the wood which is an especially advantageous
attribute if the objects are to be directly exposed to outdoor conditions,
− technologies of impregnation with resins and hardening them create no significant extra cost and fulfil current strict requirements of the environment
protection.
One of very important decision-making factors concerning the choice of
proper resin to be used for wood conservation concerns factors which the
conserved piece of wood is to be exposed to. Those resins which become fragile
or are not flexible enough are to a higher degree exposed to and threatened by
destruction caused by external factors like e.g. changing humidity (alternate
moistening and drying off), changing ambient temperature, alternately occurring
changes in the state of water aggregation (freezing and thawing), as well as the
activity of solar radiation in u-band and ultraviolet. The use of a resin characterised with little elasticity results in occurrence of inner tensions in treated wood
which directly leads to occurrence of cracks along the wood-resin borderlines, as
well as weakening of the composite resistance [Soldenhoff 1976].
Material and methods
The wood used for the present study was extracted from a Scots pine log whose
heartwood region was heavily damaged by Phellinus pini (Thore) Fr. fungus
under natural conditions. This fungus causes so-called white heterogeneous
decay of coniferous wood. The wood samples subject to further testing were
taken from the heartwood part of the log containing wood with decay. The decay
had no signs of loss of the woody tissue (fig. 1).
The selection of empirical wood material for the study was conditioned by
observed in practice cases of using wood damaged by Phellinus pini for building
construction purposes. As observed in preliminary tests, wood samples with
white heterogeneous decay absorbed resin rather at a satisfactory rate which was
the necessary precondition for the studies. Preparation of wood samples was in
accordance with the general requirements of PN-77/D-04103 standard in the
field of bending strength determination as well as with the requirements of
39
PN-79/D-04102 standard as regards testing for compression strength parallel to
grain. The preliminarily selected samples were subjected to selection to eliminate all these samples with perceptible defects worsening homogeneity of the
empirical material. All the samples of irregular shape, bearing sings of cracks
or with knots were eliminated. Despite the selection, the remaining samples’
density varied greatly from 356 to 526 kg/m3 at the absolute humidity level
equal to about 12%.
Fig. 1. Scots pine stem section with heartwood degraded by Phellinus pini (Thore)
Fr.
Rys. 1. Wyrzynek pnia z rozkładem drewna twardzieli spowodowanym przez hubę sosnową
4 groups were established from the general collection of samples, each group
containing 6 wooden pieces so that the wood parameters be possibly equal in
every individual group. The following groups were selected in relation to their
purpose:
− samples to be impregnated with resin, but not expected to be subjected to
artificial ageing,
− samples to be impregnated with resin, expected to be subjected to artificial
ageing,
− samples not to be impregnated with resin and not expected to be subjected to
artificial ageing,
− samples not to be impregnated with resin, but expected to be subjected to
artificial ageing.
A short description of tested wood samples’ density is presented in table 1.
40
Table 1. Characteristic of density of tested wood samples
Tabela 1. Charakterystyka gęstości próbek drewna poddanych badaniu
Wood density
Variation
coefficient
Gęstość drewna
Min.
Sample description
Min.
Opis próbek
X min
Degraded
wood
Drewno
zdegradowane
Sound wood
Drewno
„zdrowe”
not aged
resin treated niestarzone
nasycane
aged
żywicą
starzone
untreated
nienasycane
żywicą
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
resin treated niestarzone
nasycane
aged
żywicą
starzone
untreated
nienasycane
żywicą
not aged
niestarzone
aged
starzone
Average
Średnia
X
[kg/m3]
Maks.
Wsp.
zmienności
X max
υ
Max.
Average
variation
coefficient
Średni wsp.
zmienności
δ
[%]
356
429
493
14
388
464
517
9
366
459
526
14
363
437
515
12
547
581
624
5
512
556
603
5
523
555
596
4
508
566
625
6
13
5
The wood was impregnated with a synthetic resin that was a combination of
two products of commercial names Paraloid B-44 and Metaplex, each of them
being a derivative of poly methacrylate of methyl. These two products (in
crystalline form) were mixed together in a mass proportion of 1:4. A solution of
so obtained mixture was used to impregnate the wood. The mixture itself was
a 20% solution in toluene. The wood was impregnated in vacuum conditions
during a 30-minute period at about 20 kPa pressure. Impregnated samples were
seasoned for 30 days under conditions of limited solvent evaporation to minimise the effect of so-called backward/reverse migration of resin. Then samples
were seasoned again this time for 60 years and in conditions of good ventilation
to fully evaporate the solvent and harden the resin in the wood tissues.
The control wood material were sapwood samples extracted from undamaged wood of Scots pine. The size of control sample sets was comparable to that
of the experimental ones (i.e. damaged by fungi) both in respect of number of
groups and repeatability and the treatment methods applied.
All the samples (control and experimental) intended to have been used
for artificial ageing were exposed to physical factors in accordance with
41
PN-71/C-89038 standard. They all were subjected to artificial ageing repeated
eight times. The stages of ageing are presented in table 2.
Table 2. The stages of one cycle of accelerated ageing
Tabela 2. Etapy jednego cyklu procesu przyspieszonego starzenia
No.
Procedure
Lp.
Zabieg
1
2
3
4
Temperature
Temperatura
Time
Czas
[°C]
Soaking in water
Moczenie w wodzie
Freezing
Zamrażanie
Drying
Suszenie
Exposure to ultraviolet
Naświetlanie promieniami UV
[h]
+ 20
48
20
12
+ 70
12
+ 20
4
The study reported in this paper was carried out in the laboratories of the
Department of Wood Science and Wood Protection at the Faculty of Wood
Technology of the Warsaw University of Life Sciences (SGGW), Poland.
Results
The present study has made it possible to obtain new information concerning the
pattern of the resin penetration into wood degraded by Phellinius pini (Thore)
Fr. fungus.
Table 3. The effect of wood impregnation with synthetic resin on selected wood
properties
Tabela 3. Wpływ nasycania drewna żywicą syntetyczną na wybrane cechy drewna
Sample description
Opis próbek
Degraded wood
Drewno
zdegradowane
Sound wood
Drewno„zdrowe”
Wood density
Amount of absorbed resin
Gęstość drewna
Ilość wchłoniętej żywicy
Average value
Coefficient
of variation
Average value
Variation
coefficient
Wartość średnia
Współczynnik
zmienności
Wartość średnia
Współczynnik
zmienności
X
[kg/m3]
υ
υ
[%]
X
[kg/m3]
[%]
447
13
144
13
568
6
145
16
42
The results of wood impregnation with the resin are collected in table 3 and
their graphical visualisation is shown in fig. 2.
Fig. 2. The effect of wood density on absorption of synthetic resin
Rys. 2. Wpływ gęstości drewna na wchłonięcie żywicy syntetycznej
The resin penetration efficiencies into wood samples damaged by fungi and
into sound samples were similar and in both case they equalled to about
145 kg/m3on average.
Both degraded wood and sound wood showed similar patterns of the resin
absorption which allows a general conclusion that the amount of absorbed resin
becomes reduced with growing density of wood. The relation between resin
absorption and wood density is of linear character and in the case of fungus
degraded wood is characterised by rather high value of determination coefficient
(R2 = 0.65).
Tables 4, 5, and 6 contain collective results of the artificial ageing impact on
selected parameters of wood impregnated with the resin, both in the case of
fungi degraded wood samples and samples extracted from sound wood. The
comparison of wood bending strength, as well as of the values of modulus of
elasticity at bending and compression strength parallel to grain was done in two
variants: for artificially aged wood and untreated wood.
The impregnation of wood with the resin resulted in increased bending
strength of wood. In the case of degraded wood the increase was about 32.7%
(from the initial 49 to 65 MPa), whilst in the case of sound wood the increase
43
was about 10.2% (from 128 to 141 MPa). The strength increase of degraded
wood was greater than that of sound wood. Despite the visible increase of degraded wood strength after it was treated with the resin, the absolute value of
strength was about two times lower than that of sound wood not treated with the
resin.
Table 4. Bending strength of wood
Tabela 4. Wytrzymałość drewna na zginanie statyczne
Bending strength
Wytrzymałość na zginanie statyczne
Average value
Sample description
resin treated
Degraded wood
nasycane
żywicą
Drewno
zdegradowane
untreated
nienasycane
żywicą
resin treated
Sound wood
Drewno „zdrowe”
nasycane
żywicą
untreated
nienasycane
żywicą
Variation coefficient
Wartość średnia Współczynnik zmienności
Opis próbek
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
X
υ
[MPa]
[%]
65
13,8
57
22,8
49
23,2
37
35,1
141
11,3
134
11,2
128
7,8
114
11,4
Artificial ageing of impregnated wood resulted in diminished bending
strength of wood samples. The reduction in the strength degree varied from 65
to 57 MPa (that is about 12.3%) in the case of degraded wood treated with the
resin, whilst in the case of treated sound wood the reduction in strength was
relatively small – only by about 5.0% (from 141 to 134 MPa).
After artificial ageing samples of degraded wood not treated with the
resin demonstrated reduced bending strength. The bending strength diminished
from the initial about 49 MPa to the level of 37 MPa (by about 24.5%), whilst
bending strength of untreated samples of sound wood dropped by about 10.9%
from the original level of about 128 MPa to the final level equal to about
114 MPa.
44
Table 5. Modulus of elasticity values
Tabela 5. Wyniki oznaczania modułu sprężystości
Modulus of elasticity at bending
Moduł sprężystości przy zginaniu
statycznym
Sample description
Average value
Opis próbek
resin treated
Degraded wood
Drewno
zdegradowane
nasycane
żywicą
untreated
nienasycane
żywicą
resin treated
Sound wood
nasycane
żywicą
Drewno „zdrowe”
untreated
nienasycane
żywicą
Wartość średnia Współczynnik zmienności
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
X
υ
[GPa]
[%]
8.1
17.3
7.9
21,0
6.4
13.3
5.8
19.5
12.9
10.7
12.1
17.0
11.2
19.5
10.1
15.6
The analysis of the average values of the modulus of elasticity proved that
impregnation of degraded wood with the resin caused the rise of the modulus
value from 6.4 up to 8.1 GPa, i.e. by about 26.7%. In the case of the sound
wood samples the introduction of the same volume of the resin has resulted in a
significantly smaller strengthening effect, because observed increase in modulus
of elasticity was merely about 15.1% (from 11.2 to 12.9 GPa). It can be concluded from the above that fungi degraded wood samples were characterised by
a significantly higher increased in the value of modulus of elasticity than samples of sound wood. Despite the visible increase in the modulus of elasticity
value in the case of degraded wood after its impregnation with the resin, the
absolute value of modulus of elasticity was by about 3 GPa lower compared with
respective value for sound wood.
The artificial weathering of wood samples led to a decrease in the value of
modulus of elasticity of sampled wood. After the last (eighth) cycle of ageing
a decrease of about 2.5% (from the initial 8.1 to the final 7.9 GPa) in the value
of modulus of elasticity was observed in the wood degraded by fungi and then
45
impregnated with the resin, whilst in the case of sound wood impregnated with
the resin the fall was merely of about 6.2% (from 12.9 to 12.1 GPa).
Table 6. The index of compression strength parallel to grain
Tabela 6. Wyniki badania wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien
Compression strength parallel to grain
Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien
Sample description
Opis próbek
resin treated
Degraded wood
nasycane
żywicą
Drewno
zdegradowane
untreated
nienasycane
żywicą
resin treated
Sound wood
Drewno „zdrowe”
nasycane
żywicą
untreated
nienasycane
żywicą
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
not aged
niestarzone
aged
starzone
Average value
Wartość średnia
Współczynnik zmienności
X
υ
[MPa]
[%]
49
16.3
43
23.2
40
25.0
35
20.0
80
6.3
73
8.2
71
5.6
62
14.5
At the same time wood samples degraded by fungi and not subjected to
impregnation with the resin demonstrated a fall in the value of modulus of elasticity by about 12.5% (from 6.4 to 5.8 GPa), whilst sound wood samples, not
treated with the resin, reacted by a smaller fall by about 9.8% (from 11.2 to
10.1 GPa).
Impregnation of wood samples with the resin caused an increase in the value
of the index of bending parallel to grain. In the case of degraded wood the index
value rose from the initial 40 MPa to 49 MPa, (an increase of about 22.5%), and
in the case of sound wood the respective rise was from 71 MPa to 80 MPa
(i.e. by about 12.6%). Even though after impregnation with the resin wood degraded by fungi reacted by a more visible increase in the value of the index, its
absolute strength was still lower by about 22 MPa compared with untreated
sound wood. The process of artificial ageing caused a drop in the value of the
index of bending parallel to grain. In the case of degraded wood treated with the
46
resin, ageing resulted in a drop in strength from 49 MPa to 43 MPa, i.e. by about
12.2%, whilst in the case of sound wood the respective drop was smaller – only
of about 8.8% (from 80 MPa to 73 MPa).
After ageing samples of degraded wood not treated with the resin demonstrated a drop in bending strength from 40 MPa to 35 MPa (change by about
11.1%), whilst bending strength of sound wood samples not treated with the
resin diminished from the initial 71 MPa to 62 MPa (by about 12.7%).
The analysis of results obtained in this research project allows formulation of
the following sentence: Scots pine heartwood decay initiated by Phellinus pini
(Thore) Fr. fungus makes the wood structure permeable which enables effective
impregnation of wood with the synthetic resin in an amount similar to that absorbed by the undamaged sapwood of Scots pine. It is worth stressing that sound
Scots pine heartwood is commonly believed to be impossible to impregnate.
Impregnation of wood with the resin results in an increased resistance of
wood. This effect was observed for fungi damaged wood and for wood without
any symptoms of damage. This pattern was also true for static bending of wood
and test for compression strength parallel to grain. Always a more perceptible
effect of wood strengthening was observed in the case of wood samples
damaged by fungi, yet never the increase in strength fully set off the negative
effect of the strength change caused by fungi causing damage of wood structure.
a)
b)
c)
d)
Fig. 3. The appearance of wood samples degraded by Phellinus pini (Thore) Fr.:
a) wood treated with the resin, not aged,
b) wood not treated with the resin, not aged,
c) wood treated with the resin, aged,
d) wood not treated with the resin, aged.
Rys. 3. Wygląd próbek drewna zdegradowanego przez grzyba Phellinus pini (Thore) Fr.:
a) drewno nasycone żywicą, nie poddane procesowi sztucznego starzenia,
b) drewno nienasycone żywicą, nie poddane procesowi sztucznego starzenia,
c) drewno nasycone żywicą, poddane sztucznemu starzeniu,
d) drewno nienasycone żywicą, poddane sztucznemu starzeniu.
47
And this means that wood degraded by fungi does not fully recover after it was
impregnated with resin and it cannot regain 100% of the original strength.
It was observed that every time artificial ageing caused reduction in wood
strength. The wood destroyed by fungi always demonstrated noticeably smaller
change in strength compared with sound wood. Most likely this pattern could
have been caused by the fact that the wood with damaged cellulose structure
(following the enzymatic activity of fungi) is no more susceptible to influence
of physical factors at a degree characteristic for sound wood.
It was found that wood treated with the resin and then subjected to artificial
ageing was weakened to a smaller degree compared with untreated wood. Therefore it may be concluded that impregnation of wood with resins increases wood
resistance to external physical factors.
a)
b)
c)
d)
Fig. 4. The appearance of sound wood samples (wood free of decay):
a) wood treated with the resin, not aged,
b) wood not treated with the resin, not aged,
c) wood treated with the resin, aged,
d) wood not treated with the resin, age.
Rys. 4. Wygląd próbek drewna „zdrowego”:
a) drewno nasycone żywicą, nie poddane procesowi sztucznego starzenia,
b) drewno nienasycone żywicą, nie poddane procesowi sztucznego starzenia,
c) drewno nasycone żywicą, poddane sztucznemu starzeni,
d) drewno nienasycone żywicą, poddane sztucznemu starzeniu.
Impregnation of wood with the resin causes changes in the shape and colour
of treated wood samples regardless of whether the samples had been artificially
aged or not (fig. 3). Moreover, it was found that changes of wood shape
and colour occurring in wood not treated with the resin are less compared
with treated wood. This holds true both for degraded wood and sound wood
(fig. 4).
48
Conclusions
1. This study found that in both cases, i.e. in the case of wood damaged by
Phellinus pini (Thore) Fr. and sound wood, impregnation of wood with the
resin resulted in increased bending strength and wood stability in terms of
compression strength parallel to grain.
2. The increased mechanical stability of wood impregnated with the resin is
more evident in the case of damaged wood than in the case of sound wood.
3. Scots pine heartwood degraded by the fungus is absorbing the resin at
a degree comparable to that of undamaged wood samples.
4. Resin impregnated wood is less susceptible to artificial ageing compared with
untreated wood.
References
Buksalewicz P., Gajdziński M., Lutomski K. [1987]: Wzmacnianie drewna zabytkowego
przy użyciu preparatów Petrifo i Paraloid, Zabytkowe drewno, konserwacja i badania,
Instytut Wydawniczy PAX Warszawa: 108–117
Czajnik M. [1968]: Badania nad zastosowaniem żywic syntetycznych do zabezpieczania
drewna przed rozkładem powodowanym przez grzyby. Materiały Muzeum Budownictwa
Ludowego w Sanoku Nr 8
Domasłowski W., Zaręba T. [1968]: Badania nad ustaleniem optymalnych warunków
impregnacji drewna roztworami żywic epoksydowych. Zeszyty Naukowe UMK w Toruniu. Zabytkoznawstwo Konserwatorstwo Nr 28, T. 3: 201–215
Domasłowski W. [1961]: Konserwacja (wzmacnianie, utwardzanie) drewna pod zmniejszonym ciśnieniem. Biblioteka Muzealnictwa i Ochrony Zabytków, Ser. B, T.3, 1961,
45–68
Domasłowski W. [1960]: Własności żywic sztucznych oraz ich zastosowanie do prac konserwatorskich. Materiały Zach.-Pomorskie Nr 6
Krajewski K.J. [1995]: Profilaktyka bioochronna w budynkach drewnianych o konstrukcji
szkieletowej. Technologie wyrobów z drewna i materiałów drewno pochodnych dla
budownictwa. 9. Konferencja Naukowa Wydziału Technologii Drewna SGGW Warszawa, Wydaw. SGGW Warszawa: 110–111
Nakhla S.M. [1986]: A Comparative study of resins for the consolidation of wooden objects.
Studies in Conservation 31[1]: 38–44
Paciorek M. [1993]: Badania wybranych tworzyw termoplastycznych stosowanych do
impregnacji drewna. Studia i Materiały Wydziału Konserwacji i Restauracji Dzieł Sztuki
Akademii Sztuk Pięknych w Krakowie, T. 3, Kraków
Soldehoff B. [1976]: Badania nad uelastycznieniem żywicy Epidian 5.Ochrona Zabytków
[2]: 110–112
Soldenhoff B. [2004]: Żywice chemoutwardzalne stosowane w konserwacji drewnianych
obiektów zabytkowych. W: Mat. XXII Symp. Ochrona Drewna, Wyd. SGGW, Warszawa: 61–68
Wieczorek K. [1992]: Krajowe środki do ochrony i konserwacji drewna w zabytkach. Wyd.
PP PKZ, Warszawa
49
Wiśniewski A. [1997]: Restauracja stropów drewnianych z plafonami. Praca doktorska.
Wydział Architektury Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
Żaboklicki A. [1988]: Rehabilitacja i wzmacnianie elementów drewnianych w obiektach
zabytkowych. Instytut Historii Architektury, Sztuki i Techniki Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
WPŁYW NASYCANIA POLIMETAKRYLANEM METYLU
NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE DREWNA SOSNY
ZDEGRADOWANEGO PRZEZ GRZYBY
Streszczenie
Przedstawiono wyniki badań nad możliwościami wykorzystania polimetakrylanu metylu
do wzmacniania drewna zdegradowanego przez grzyba Phellinus pini (Thore) Fr. Zaobserwowano, że impregnacja drewna żywicą powoduje wzrost właściwości mechanicznych, niemniej jednak wzrost ten jest relatywnie wyższy w przypadku drewna zdegradowanego przez czynniki biologiczne, aniżeli w przypadku drewna nieuszkodzonego.
Badano zachowanie się układu drewno – żywica po poddaniu go sztucznemu starzeniu
w warunkach laboratoryjnych. Po procesie sztucznego starzenia wytrzymałość drewna
nasyconego żywicą obniżyła się w porównaniu z wytrzymałością drewna niepoddanego
starzeniu. Podobne tendencje zmian zaobserwowano zarówno dla drewna zdegradowanego przez czynniki biologiczne, jak i dla drewna nieuszkodzonego.
Słowa kluczowe: żywica syntetyczna, drewno zdegradowane, drewno wzmocnione, impregnacja
drewna żywicą syntetyczną
József GARAB, József SZALAI 1
COMPARISON OF ANISOTROPIC STRENGTH CRITERIA
IN THE BIAXIAL STRESS STATE
In our study, three phenomenological strength criteria (the von Mises criterion,
the Tsai-Wu criterion, and the Ashkenazi criterion) were compared based on
experimental data. The goal of this study was to decide which strength theory describes properly the failure of wood under biaxial load. Formerly, a set of biaxial
tests was performed on Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) specimens. As
a result hundreds of biaxial strength data are available. Failure criteria were
validated in these planar stress states. Theoretical and experimental background
was presented and tensor components were calculated from engineering strength
for each strength criteria. Failure prediction data was determined by the three
theories. The results show that out of the three criteria the Ashkenazi strength
criterion best describes the failure of wood in planar stress state.
Keywords: anisotropic strength criteria, biaxial tests, planar stress states, failure
prediction number, Ashkenazi strength criterion
Introduction
At the macroscopic level physical and mechanical properties of wood and wood
based materials are anisotropic because of the complex microstructure. Due
to the complex structure of wood prediction of strength is difficult. Norms are
limited, and the orthotropic (orthogonally anisotropic) elastic properties are not
used for strength prediction.
The stress state can be linear, planar or spatial in the critical point of wooden
structures. Since wood is anisotropic, strength criteria may apply to the strength
of wood and wood-based materials. There are several theories in practice. Some
of them were developed for the aircraft industry, because formerly some aircraft
parts were built using glass-reinforced plastics or wood or wooden composites.
József GARAB, University of West Hungary, Sopron, Hungary
József SZALAI, University of West Hungary, Sopron, Hungary
52
József GARAB, József SZALAI
These days, scientists explore this topic [Yoshihara 1991; Kasal, Leichti 2005;
Mackenzie, Eberhardsteiner 2005; Seweryn, Romanovych 2007; van der Put
2009], because better mechanical design of wood needs deeper theoretical background.
A former work [Szalai 1992, 2008] compared using a theoretical approach
the von Mises, the Tsai-Wu, and the Ashkenazi anisotropic strength criteria.
These criteria are phenomenological criteria.
Phenomenological strength criterion applies to the phenomenon of failure
only and cannot be used to explain the fracture mechanism itself. In this research
the von Mises, the Tsai-Wu, and the Ashkenazi anisotropic strength criteria were
compared based on their applicability. Biaxial experimental data were used
[Eberhardsteiner 2002] to validate the failure criteria. Based on this strength
data, anisotropic strength criteria could be compared and it could be verified
which theory described the failure of wood and wood-based materials in planar
stress state.
Theoretical background
The formula of the anisotropic strength criteria are most often polynomial equations. The left-hand member contains polynomials of the component of the stress
tensor. The right-hand member contains scalar. The general anisotropic strength
criterion has the following form [Szalai 1994]:
aijσ ij + aijklσ ijσ kl + aijklmnσ ijσ klσ mn + aijklmnopσ ij σ kl σ mnσ op + ... ≤ c ,
(1)1
with i,j,k,l,m,n,o,p,…=1,2,3
where:
σ ij – components of the stress tensor,
aij , aijkl , aijklmnop ,... – strength tensors, range of 2,4,6,8…,
c – optional scalar.
If formula (1) is true, the material will not fracture. The anisotropic strength
criteria use different part of the general strength criterion. Main anisotropy
strength criteria are the von Mises criterion, the Tsai-Wu criterion, and the Ashkenazi criterion.
The strength criteria can be modelled by geometrical methods. In the case of
planar stress state, the strength surface can be governed by the strength criteria.
1
Einstein's convention was used here and hereinafter.
53
Comparison of anisotropic strength criteria in the biaxial stress state
The von Mises strength criterion
R. von Mises [1928] applied the quadratic term of the polynomial equation (1).
aijklσ ijσ kl ≤ 1 ,
i,j,k,l = L, R,T
(2)
where:
L is the longitudinal or grain direction, R is the radial direction, and T is the
tangential direction within the tree stem.
Tensor components can be calculated from the engineering strength. The engineering strength was determined experimentally [Szalai 2001]. Table 1 summarises the applied engineering strength values. Tensor components in the von
Mises tensor are the following:
a iiii =
1
(f )
+ 2
1
=
or
(f )
− 2
i
,
i = L or, R or T ,
(3a)
i
where:
f i + and f i − tension and compression strength in the anatomical main directions,
and
(a
ijij
+ aijji + a jiij + a jiji ) =
1
(t )
2
i , j = L, R, or L, T, or R, T ,
,
(3b)
ij
where:
tij – shear strength on the anatomical main planes.
Table 1. Engineering strength [Szalai 2001] of Norway spruce (Picea abies [L.]
Karst) in the LR anatomical main plane
Tabela 1. Wytrzymałość inżynieryjna [Szalai 2001] świerka pospolitego (Picea abies [L.]
Karst) w podłużno-promieniowej anatomicznej płaszczyźnie głównej
Spruce
Świerk
N
Mean
Średnia
CoV
*
*
T ( 45) +
T ( 45 ) −
f LR
f LR
f R+
f R−
t LR
T ( 45) + *
t LR
T ( 45) − *
t LR
–
325
302
291
–
–
–
Pcs
9.15
9.08
5.92
3.49
9.32
4.00
4.57
MPa
28.6
25.5
28.2
22.4
43.0
28.6
25.6
%
f L+
f L−
315
319
292
63.52
49.34
23.6
18.0
Data from Szalai [1994]
Dane od Szalai [1994]
54
Other no zero tensor components are the interactive tensor components.
Physical interpretation is difficult. These components could be determined by
several methods. In the framework of our research the following determination
methods were applied:
1 
( f ) ( f i ) ( f ) (tij+ )2 
(aiijj + a jjii ) = k (445)− 2 − 1− 2 − 1− 2 − 1+ 2 
( fij ) ( f i ) ( f j ) (tij ) 
(3c)

1
1
1

(aiijj + a jjii ) = + 2 + − 2 − k ( 45)+ 2 , 
( fi )
(fj )
(tij
)

1
1
1

(aiijj + a jjii ) = − 2 + + 2 − k ( 45)− 2

( fi )
(fj )
(tij
)
i,j = L, R, or L, T, or R, T,
(a
iijj
+ a jjii ) =
4
k ( 45 )+ 2
ij
−
1
+ 2
−
1
+ 2
j
−
where:
fijk (45 )+ , f ijk (45 )− , tijk (45 )+ , tijk (45 )− – tension, compression and shear strength in the
directions of the i and j axes, respectively, and in directions lying in the ij
plane and making 45° angle with the i and j axes. It is very difficult to
determine tijk ( 45 )+ , and tijk (45 )− , because generating a clear shear stress state is
problematic. The shear strengths in these directions determined for spruce by
Szalai [1994] were used.
Graphical representation of the von Mises strength criterion is the strength
surface governed by eq. 4. Shear component can be expressed from eq. 2.
σ ij =
1 − aiiiiσ iiσ ii − a jjjjσ jjσ jj − (aiijj + a jjii )σ iiσ jj
aijij + aijji + a jiij + a jiji
(4)
i,j= L,R or L,T or R,T.
Theoretically, the surface is an ellipsoid, where the stress components coincide with the main axes of the ellipsoid. Fig. 1 shows the von Mises strength
surface in the LR anatomical main plane of the Norway spruce (Picea abies [L.]
Karst.).
The Tsai-Wu strength criterion
S.W. Tsai and E.M Wu [1971] applied the first two parts of the general strength
criterion (eq. 1.). The Tsai-Wu strength criterion has the following form:
aijσ ij + aijklσ ijσ kl ≤ 1 ,
i,j,k,l = L, R, T .
(5)
55
Fig. 1. Strength surface of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) in the LR anatomical main plane governed by the von- Mises strength criterion
Rys. 1. Powierzchnia wytrzymałości świerka pospolitego (Picea abies [L.] Karst.)
w podłużno-promieniowej anatomicznej płaszczyźnie głównej według kryterium wytrzymałości von Mises’a
The tensor components in the second and fourth range are:
aii =
1
1
− −,
+
fi
fi
i = L or R or T,
(6a)
aiiii =
1
,
fi + fi −
i = L or R or T,
(6b)
i,j = L, R or L, T or R, T,
(6c)
i,j = L, R or L, T or R, T
(6d)
aij =
1 1
− = 0,
tij+ tij−
(a
ijij
1
,
t t
+ −
ij ij
56
The applied determination method for the interactive components was the
following:
(a
iijj
+ a jjii ) =
(f
4
)
k ( 45 )+ 2
ij
 f ijk (45 )+  1
 
 + − 1− + 1+ − 1−  − 
1 −

2  fi
fi
fj
f j  


k ( 45 )− 2
)  1 + 1 + 1 
− ( f ij
 f + f − f + f − t +t − 

4
j
j
ij ij  
 i i

or,
(a
iijj
+ a jjii ) =
(f
4
)
k ( 45 )− 2
ij

 
f ijk (45 )−  1
 + − 1− + 1+ − 1−  − 
1 +
2  f i
fi
fj
f j  


k ( 45 )− 2
)  1 + 1 + 1 
− ( f ij
 f + f − f + f − t +t − 

4
j
j
ij ij  
 i i


 1
1
1
1  
1 − tijk ( 45)+  + − − + + − −  −
fi
fj
fj  

1
 fi
(aiijj + a jjii ) = − k ( 45)+ 2 

(tij
)  k ( 45)+ 2  1
1 

)  + − + + −
− (tij
f f



f
f
j
j 
 i i


or,

 1
1
1
1  
1 + tijk ( 45 )−  + − − + + − −  −
fi
fj
fj  

1
 fi
(aiijj + a jjii ) = − k ( 45)− 2 

(tij
)  k ( 45)− 2  1
1 

)  + − + + −
− (tij
f f



fj fj 
 i i

















(6e)















(6f)
i,j = L, R or L, T or R, T.
Graphical representation of the Tsai-Wu strength criterion is also an ellipsoid but the main axes of the ellipsoid and the stress coordinates are not parallel.
Fig. 2 shows the Tsai-Wu strength surface in the planar stress state in the LR
anatomy main plane. The expression of the strength surface in the planar stress
state is the following:
σ =
ij
1 − a ii σ ii − a jj σ
jj
− a iiii σ ii σ ii − a jjjj σ jj σ
jj
− (a iijj + a jjii )σ ii σ
jj
a ijij + a ijji + a jiij + a jiji
i,j= L,R or L,T or R,T.
(7)
57
Fig. 2. Strength surface of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) in the LR anatomical main plane governed by the Tsai-Wu strength criterion
Rys. 2. Powierzchnia wytrzymałości świerka pospolitego (Picea abies [L.] Karst.)
w podłużno-promieniowej anatomicznej płaszczyźnie głównej według kryterium wytrzymałości Tsai-Wu
The Ashkenazi strength criterion
Ashkenazi [1966, 1967, 1976], Ashkenazi-Ganov [1972] defined a strength
tensor in the fourth range. The structure of the tensor is similar to that of the
compliance tensor. Ashkenazi applied the second and the fourth part of the
general strength criterion (eq. 1.). After transformation [Szalai 1994] the following terms are applicable:
aijklσ ijσ kl
I12 − I 2
≤ 1,
(8)
where:
I1 and I2 – the first and the second stress invariants.
The components of the strength tensors are as follows:
aiiii =
1
fi +
or
=
1
,
fi−
i = L or R or T,
(9a)
58
(a
(a
+ a jjii ) =
ijij
iijj
4
f
k ( 45 )+
ij
or
(a
iijj
4
+ a jjii ) =
f ijk (45 )−
−
1
,
tij
i, j = L, R or L, T or R, T ,
1
1
1 
− +− , 
+
fi
f j tij 


1
1
1 
− −− −− , 
fi
f j tij
 i, j = L, R or L, T or R, T
(9b)
(9c)
and
1
1
1
+ + − k ( 45)+
+
fi
f j tij
(aiijj + a jjii ) = 1+ + 1+ − k (145)−
fi
f j tij
(a
iijj
+ a jjii ) =

,




(9d)
i,j = L, R or L, T or R, T.
tijk (45 )+ , tijk (45 )− were also taken from Szalai [1994]. Eq. 8 presents a surface in the
fourth range. In the planar stress state the following terms are available:
σ ij = ±
±
1
qij
 1
2
2
− aiiii (σ ii ) − a jjjj (σ jj ) − (aiijj + a jjii )σ ii σ jj ±

 2qij

a

2
1  aiiii
−
− 1(σ ii ) −  jjjj − 1(σ
2




4qij  qij

 qij

where:
qij = aijij + aijji + a jiij + a jiji ,
)
jj 2
 a + a jjii
−  iijj

qij



− 1σ iiσ jj 




(10)
i, j = L, R or L, T or R, T .
Fig. 3 shows that the strength surface is the general surface. The Ashkenazi
strength surface may be convex, whilst in the previous two strength criteria it
may be concave. Hence, the convex surface better fits to the stress points than
the concave surface.
Materials and methods
Experimental data [Eberhardsteiner 2002] were verified using three anisotropic
strength criteria (the von Mises criterion, the Tsai-Wu criterion, and the Ashkenazi criterion). Since the stress states were valid in the moment of the fracture,
the strength criteria should predict the failure.
59
Fig. 3. Strength surface of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) in the LR anatomical main plane governed by the Ashkenazi strength criterion
Rys. 3. Powierzchnia wytrzymałości świerka pospolitego (Picea abies [L.] Karst.) w podłużno-promieniowej anatomicznej płaszczyźnie głównej według kryterium wytrzymałości
Ashkenazi’ego
Eberhardsteiner [2002] measured 423 pieces of cross-shaped Norway spruce
(Picea abies [L.] Karst.) specimens under biaxial load. The specimens were cut
out from the stem along the LR (longitudinal-radial) anatomical main plane. The
estimated cross section was 140 × 140 mm2. The thickness depends on the loading mode. Linear u and v displacements were applied along the x and y axes,
according to the axes of the biaxial testing machine. The reaction was the planar
stress state with σx,, σy stress components. Bending was not permitted (when tension directions did not coincide with the anatomical main axes). The biaxial load
was applied by displacements so that the ratio κ = u / v of their mean values u
and v remains constant (fig. 4).
Relatively to the axes of the specimen the grain angle (φ) was different.
φ = 0° (L), 7,5°,15°,30°, and 45°. Experimental tests were performed at the room
temperature. The average moisture content of wood was 12%. Six measurements
were carried out for each combination of the parameters φ and κ. Fracture was
defined when extremities arose among σx and σy . After the investigations 423
stress states were available at failure.
60
Fig. 4. Biaxial test specimen. Specimen shape, loading type and position of the
coordinate systems are presented
Rys. 4. Próbka do badań dwuosiowych. Przedstawiono kształt próbki, rodzaj obciążenia
oraz pozycję systemów współrzędnych
The biaxial stress state results at the fracture were correlated with the main
axes of the specimens and the loading directions. The anisotropic strength criteria could not be applied because they are suitable only if the stress state is correlated to the orthotropic directions. The obtained stress states had to be transformed from the xy to the LR system. The transformation was based on the
orthotropic properties and the angle (φ) between the anatomical main directions
(fig. 4):
σ LL = σ xx cos 2 ϕ + σ yy sin 2 ϕ
σ RR = σ xx sin 2 ϕ + σ yy cos 2 ϕ
σ LR = (σ xx − σ yy ) sin ϕ cos ϕ
σ RL = σ LR







(11)
The tensor components are different according to the stress states. The tensor
components depend on the sign of the normal stresses in a given stress state.
Four groups can be defined ( σ LL+σ RR+ ;σ LL+σ RR− ;σ LL−σ RR+ ;σ LL−σ RR− ).
The tensor components were determined for each strength criterion. The
following formulas were applied: eq. 3a–3c for the von Mises strength criterion,
eq. 6a–6f for the Tsai-Wu strength criterion, and eq. 9a–9d for the Ashkenazi
strength criterion. The engineering strengths were applied based on table 1. The
61
normal strengths were applied from Szalai [2001], and the diagonal shear
T ( 45 ) + T ( 45 ) −
strengths t LR
t LR
were applied from Szalai [1994] as well.
After the described procedures the strength criteria were applicable. The
term of the failure prediction number had to be determined. The failure prediction number correlates to the failure. The right-hand member of eq. 1. is a scalar.
If this scalar equals 1, the strength criterion will describe the failure. It is an ideal
case. If the scalar is less than 1, the strength criterion will not predict any failure,
but the material is damaged. If the scalar is more than 1, the theory will predict
failure, but the material remains intact. The graphical meaning is the following:
if the scalar equals 1 – the graphic stress state point will be on the strength surface, if the failure prediction number is less than 1 – the graphic stress state point
will be under the strength surface, and if the scalar is more than 1 – the graphical
stress state point will be above the strength surface. In the case of the 423 stress
states, the failure prediction number was determined using eq. 2, 5, and 8
according to the von Mises, the Tsai-Wu, and the Ashkenazi strength criteria.
Results and discussion
The 423 stress states were transformed to the system of the anatomical main
directions based on eq.11. 4 groups were created from the 423 stress states.
145 pieces were classified as σ LL+σ RR+ group, 103 pieces as σ LL+σ RR− group,
113 pieces as σ LL−σ RR− group, and 62 pieces as σ LL−σ RR+ group.
Calculated tensor components for the three strength criteria for each stress
group are shown in table 2. The failure prediction numbers were determined in
all cases of the four groups for the von Mises, the Tsai-Wu and the Ashkenazi
strength criteria. The determined failure prediction numbers are shown in fig. 5
and table 3.
The failure prediction numbers calculated by the von Mises and the Tsai-Wu
strength criteria in the σ LL +σ RR+ stress group are about 1. The value is 0.99 for
the von Mises theory and 1.14 for the Tsai-Wu theory. The coefficient of variation is 72.1% for the von Mises theory and 97.6% for the Tsai-Wu theory, therefore the results are uncertain. In addition, negative failure prediction numbers
were found in the failure prediction numbers determined by the von Mises
and the Tsai-Wu theories. It means that the horizontal projection of the
corresponding stress point is out of the projection of the strength surface. In that
case the real failure prediction number is zero, because the stress point does not
fit on the strength surface. The failure prediction numbers determined by the
Ashkenazi strength criterion are around 1 in all stress groups and the coefficient
of variation is equal to the variation of the strength of wood: n(I) = 0.87,
n(II) = 0.75, n(III) = 0.88, n(IV) = 0.71, CoV(I) = 28.2%, CoV(II) = 24.4%,
CoV(III) = 35.0%, and CoV(IV)=20.1%. The failure prediction numbers deter-
62
mined by the Ashkenazi strength criterion are less than 1. The spruce wood was
weaker in the measurements performed by Szalai [2001] than in the experiments
carried out by Eberhardsteiner [2002].
Table 2. Calculated tensor components for the von Mises, the Tsai-Wu, and the
Ashkenazi strength criteria in the four stress groups
Tabela 2. Składowe tensorowe obliczone dla kryteriów wytrzymałości von Mises’a, Tsai-Wu
i Ashkenazi’ego w czterech grupach naprężeń
S.crit.
Ashkenazi
Tsai- Wu
von Mises
Kryt.
wyt.
S.g.
*
aLL
[MPa-1]
aRR
[MPa-1]
aLLLL
[MPa-1]
aRRRR
[MPa-1]
aLLRR + aRRLL
[MPa-1]
aLRLR + aLRRL +
aRLLR + aRLRL
[MPa-1]
I.
–
–
0.00025
0.02853
0.00748
0.01151
II.
–
–
0.00025
0.08210
0.01985
0.01151
III.
–
–
0.00041
0.08210
-0.04551
0.01151
Gr.
napr.
*
IV.
–
-
0.00041
0.02853
-0.01894
0.01151
I.
-0.00452
-0.11761
0.00032
0.04840
0.01424
0.01151
II.
-0.00452
-0.11761
0.00032
0.04840
0.01449
0.01151
III.
-0.00452
-0.11761
0.00032
0.04840
-0.03862
0.01151
IV.
-0.00452
-0.11761
0.00032
0.04840
-0.02391
0.01151
I.
–
–
0.01574
0.16892
0.14520
0.10730
II.
–
–
0.01574
0.28653
0.05228
0.10730
III.
–
–
0.02027
0.28653
0.02643
0.10730
IV.
–
–
0.02027
0.16892
-0.02963
0.10730
* Stress groups are the following: I- σ LL +σ RR + ; II- σ LL +σ RR − ; III- σ LL −σ RR − ; IV- σ LL −σ RR +
* Grupy naprężeń są następujące: I- σ LL +σ RR + ; II- σ LL +σ RR − ; III- σ LL −σ RR − ; IV- σ LL −σ RR +
Table 3. Failure prediction number values for the von Mises, the Tsai-Wu, and the
Ashkenazi strength criteria
Tabela 3. Wartości wskaźnika przewidywania defektu dla kryteriów wytrzymałości von
Mises’a, Tsai-Wu i Ashkenazi’ego
Failure prediction numbers “n” [-]
Strength criterion
Kryterium wytrzymałości
Wskaźniki przewidywania defektu „n” [-]
σ LL +σ RR +
σ LL +σ RR −
σ LL −σ RR −
σ LL −σ RR +
von Mises
0.99 (72.1)
0.27 (155.1)
0.48 (215.5)
1.29 (44.8)
Tsai-Wu
1.14 (97.6)
0.78 (100.0)
0.47 (165.5)
1.38 (51.5)
Ashkenazi
0.87 (28.2)
0.75 (24.4)
0.88 (35.0)
0.71 (20.1)
Coefficient of variation [%] is given in parentheses.
Współczynnik zmienności [%] podano w nawiasach.
63
Stress groups/Grupy naprężeń
Fig. 5. Failure prediction number values corresponding to different criteria in the
four stress groups
Stress groups are the following: I- σ LL +σ RR + ; II- σ LL +σ RR − ; III- σ LL −σ RR − ;
IV- σ LL −σ RR +
Rys. 5. Wartości wskaźnika przewidywania defektu odpowiadające różnym kryteriom
w czterech grupach naprężeń
Grupy naprężeń są następujące: I- σ LL +σ RR + ; II- σ LL +σ RR − ; III- σ LL −σ RR − ; IV- σ LL −σ RR +
The results are reliable based on the following observations:
− for all of the three theories tensor components were calculated from the same
engineering strength, therefore the differences among the theories could be
marked,
− based on the investigation of the variance values coefficients of variation of
the Ashkenazi theory represent the variance values of the mechanical properties of wood; the variance values of the von Mises and the Tsai-Wu theories
are extreme,
− although the failure prediction numbers (n) are not exactly 1 in the case of the
Ashkenazi strength criterion, calculated values were around 1 (or slightly below) in all four groups – a better mechanical property of the sample material
tested in Vienna is considered to be the reason for that.
64
Conclusions
The present study demonstrates that the comparison of anisotropic strength criteria is useful. This research compared three anisotropic strength criteria (the von
Mises criterion, the Tsai-Wu criterion, and the Ashkenazi criterion) based on
experimental data for spruce wood. Large number of tested specimens (over
400) was checked in terms of the strength criteria, therefore the results are acceptable.
After calculating the failure prediction numbers for the three theories, it was
found that the means and the variance values are acceptable only for the Ashkenazi strength criterion, because the mean values can predict the failure and the
variance is similar to the variance of wood properties.
After theoretical approach [Szalai 2008], experimental results confirm that in
the planar stress state the Ashkenazi strength criterion best describes the failure
of wood.
In future investigations the following topics are of interest to us:
− selection of the ideal triaxial test method,
− comparison of anisotropic strength criteria in triaxial stress states,
− investigation of other species in multiaxial stress state.
Acknowledgements
The authors are grateful to Dr. Josef Eberhardsteiner for giving them a free run
of the complex biaxial test results to process experimental data.
References
Ashkenazi E.K. [1966]: Protschnost' anisotropnykh drevesnykh i sintetitscheskikh materialov Isdaniie Lesnaya Promishlennost'. Moscow
Ashkenazi E.K. [1967]: K voprosu o geometrii teorii protschnosti. Mekhanika Polimerov [3]
4:703–707
Ashkenazi E.K. [1976]: Eshho raz pro geometriu protschnosti anisotropnykh materialov.
Mekhanika Polimerov [12] 2:269–278
Ashkenazi E.K., Ganov E.V. [1972]: Anizotropia konstrukcionnykh materialov. Leningrad
Eberhardsteiner J. [2002]: Mechanisches Verhalten von Fichtenholz. Experimentelle
Bestimmung der biaxialen Festigkeitseigenschaften. Springer-Verlag, Wien, New York
Kasal B., Leichti R.J. [2005]: State of the art in multiaxial phenomenological failure criteria
for wood members. Progress in Structural Engineering and Materials. [7] :3–13
Mackenzie-Heinwein P., Eberhardsteiner J. [2005]: Rate- independent mechanical bahavior of biaxially stressed wood: Experimental observations and constitutive modeling as
an orthotropic two- surface elasto- plastic material. Holzforschung [59]:311–321
65
Seweryn A., Romanovych M. [2007]: Strength criteria for wood under the conditions of
complex stressed state. Materials Science [43] 3:343–350
Szalai J. [1992]: Comparing of failure theories for orthotropic materials on the basis of theoretical criteria of their applicability. Acta Facultatis Ligniensis [1]:15–31
Szalai J. [1994]: A faanyag anizotrop rugalmasságtana. I. rész. A mechanikai tulajdonságok
anizotrópiája [Anisotropic Elastic and Strength Theories of Wood and Wood-Based
Composites, Part I. Anisotropy of the mechanical properties]. Hillebrand nyomda.
Sopron
Szalai J. [2001]: Különböző fafajok technikai szilárdságai. In: Wittman G. (ed.): Mérnöki
faszerkezetek. II. rész. Mezőgazdasági Szaktudás kiadó. Budapest. 199
Szalai J. [2008]: Festigkeitstheorien von anisotropen Stoffen mit sprödem Bruchverhalten.
Acta Sylvatica Lignaria Hungarica [5]:61–80
Tsai S.W., Wu E.M. [1971]: A general theory of strength for anisotropic material. Journal of
Composite Materials [5]: 58–80
Yoshihara H. [1991]: A failure criterion which enables the prediction of the failing direction
for orthotropic material. Mokuzai Gakkaishi [37] 6:511–516
van der Put T.A.C.M. [2009]: A continuum failure criterion applicable to wood. Journal of
Wood Science [55] 5:315–322
von Mises R. [1928]: Mechanik der plastischen Formänderung von Kristallen. Zeitschrift für
Angewandte Mathematik und Mechanik [8] :161–185
PORÓWNANIE ANIZOTROPOWYCH KRYTERIÓW
WYTRZYMAŁOŚCI W DWUOSIOWYM
STANIE NAPRĘŻEŃ
Streszczenie
Ze względu na skomplikowaną mikrostrukturę, właściwości fizyczne i mechaniczne
drewna i materiałów drewnopochodnych są anizotropowe. Z powodu tej złożonej struktury, przewidywanie wytrzymałości drewna jest trudne i komplikuje się jeszcze bardziej
w złożonych (dwu- i trójosiowych) stanach naprężeń.
W niniejszej pracy porównano trzy fenomenologiczne anizotropowe kryteria
wytrzymałości (von Mises’a, Tsai - Wu i Ashkenazi’ego) na podstawie danych doświadczalnych uzyskanych uprzednio dla świerka (Picea abies [L.] Karst.). Celem tego
porównania było ustalenie, która teoria wytrzymałościowa przewiduje właściwie
powstawanie defektów w drewnie w dwuosiowym stanie naprężeń.
Na podstawie posiadanych danych doświadczalnych wyznaczono wartości wskaźników przewidywania defektu wraz z ich współczynnikami zmienności.
Uzyskane wyniki pokazują, że w płaskim stanie naprężeń kryterium wytrzymałościowe Ashkenazi’ego najlepiej przewiduje powstawanie uszkodzeń w drewnie.
66
Kolejnym etapem analiz będzie porównanie anizotropowych kryteriów wytrzymałościowych dla trójosiowego stanu naprężeń oraz badania innych gatunków drewna
w wieloosiowych stanach naprężeń.
Słowa kluczowe: anizotropowe kryteria wytrzymałości, badania dwuosiowe, płaskie stany
naprężeń, wskaźnik przewidywania defektu, kryterium wytrzymałości Ashkenazi’ego
Stig-Inge GUSTAFSSON 1
THE STRENGTH PROPERTIES OF SWEDISH OAK
AND BEECH
Because of their economic impact most research on wood in Sweden is aimed at
our needle-leaved species, i.e. pine and spruce. Sawmills and other industrial
enterprises using these conifers are also in vast majority, both in number of employees and number of companies. However, there is a viable industrial branch in
Sweden, i.e. furniture companies, dealing with broad-leaved species such as
oak, birch, and alder. Such industries often import all the wood they use,
even if the same type of wood grows in the vicinity. In order to make the Swedish
broad-leaved trees more interesting to the wood manufacturing sector, we
examined the strength properties of some common Swedish woods, viz. oak and
beech. The result shows that our oak specimens had a modulus of elasticity of
12.243 MPa measured by using four-point bending. So-called the Young’s
modulus was 11.761 MPa for tension and 15.610 MPa for compression in the
fibre direction, i.e. there was a very high difference. The stress just before rupture
was measured to 85 MPa for tension and 76 MPa for compression, i.e. there
was a surprisingly small difference. For beech, our corresponding values were
13.017 MPa for four-point bending, the Young’s modulus during tension was
13.954 MPa and 130.4 MPa in maximum stress, whilst under compression these
values were 13.101 MPa and 84 MPa, respectively.
Keywords: wood, testing, oak, beech, MOE, MOR, the Young’s modulus
Introduction
Sweden is a long and narrow country. The northern part reaches far beyond the
polar circle, whilst the southern-most peak is located some 15 latitude degrees
below on the Earth surface. Our country is therefore spanning several growth
regions. Most of the country is covered by forests with needle-leaved species,
especially pine and spruce. The utilisation of these trees in the form of timber
and paper is of significant importance for the standard of living in Sweden.
Stig-Inge GUSTAFSSON, Linköping University, Sweden
68
Stig-Inge GUSTAFSSON
Broad-leaved species, such as birches, alder and oaks more seldom create forests
by their own, but such trees are scattered within the conifer wood lands instead.
Sawmills for such hardwoods are hard to find, and if you find them they are
usually old fashioned and have only a very small-scaled business, even if there
are one or two exceptions. Many of these companies are likely to die and
disappear when the now ageing owners and workers retire. In order to reduce
this risk, much more emphasis must be put on the fact that Sweden has interesting resources of broad-leaved species, and also that timber from these trees can
be interesting alternatives to conifers in a number of different applications. As
a designer of wooden constructions you must be aware of physical properties of
wood. For conifer constructions there are building codes, rules and regulations
showing the designer the values of allowed strain and stress that are accepted
for different building parts, but there is lack of such recommendations for
gymnosperms, or hardwoods. This is unfortunate, because many of the broadleaved types are much stronger than the needle-leaved ditto. This can be found
for example in [Gustafsson 2001] where some species were examined. Another
example can be found in a report on birch, alder and aspen which was published
not long ago [Enquist, Petersson 2000].
You also have to use the values from the experiments and reference
[Gustafsson 1997] shows some Finite Element Method (FEM), calculations for
one of the strongest hard-woods available in Sweden viz. ash (Fraxinus excelcior). Fortunately, it seems there is a growing interest in FEM and due to this the
examining of such hardwoods has emerged. A number of studies dealing with
FEM analysis, see e.g. [Smardzewski 1998; Miskara, Sain 2007; Ollson et al.
2004], have been published during recent years. New FEM programs are
developed all the time, but in spite of the rapid growth of computer programs for
solving even very complex structures, see e.g. [Kasal et al. 2006] for a 3-d study
with wood composites, it must be stressed that there still is a need for thorough
testing under reality-like conditions. There are some studies dealing with this,
for example [Erdil et al. 2004; Ratnasingam et al. 1997]. However, testing
under such conditions is a time-consuming and expensive activity, and that is
why FEM still has a role to play when designing furniture. Such calculations
also makes it important to study the solid mechanics of the material itself.
Testing solid mechanical properties
Wood is a very special material due to its anisotropic and heterogeneous structure. If you apply forces in the same direction as the fibre orientation, i.e. acting
so that the wood is tensed along the fibres, wood is surprisingly strong. If the
forces are applied in the opposite direction, and hence wood is compressed, only
half of the strength is found, according to the literature. Even lower values are
The strength properties of Swedish oak and beech
69
found if you apply the forces perpendicular to the fibre direction. Bending
strength, for example, as it is a form of mixture between tension and compression, will therefore probably be located between these corresponding values. In
Kollmann, Côté [1984], page 292, a graph of this behaviour is shown. A suitable
way to start our tests is therefore to see how much stress our specimens can endure at tension.
Tension and compression tests
In Sweden, as we are a part of Scandinavia, certain testing regulations for wood
apply, see Kucera [1992]. Other countries have other ways for testing wood and
this goes especially for the recommended design of the test specimens. See e.g.
Kollmann, Côté [1984], page 324, and Hoadley [2000], page 84 and 85, for
different types of design. In order to identify mechanical properties we must use
machinery where we can apply known forces on our specimens and also monitor
how much longer the specimens become due to the forces applied. All specimens for tensile tests have a marked waist of about 0.1 m. This is so because we
want the specimens to achieve most of their prolongation in this waist section.
Normal practice is also to monitor the prolongation with so-called extensometer
with a monitoring gap, L, of 0.025 m. Because of the waist we want our specimens to break in this specific section and also be able to monitor the added
length within the extensometer gap. The machinery is connected to a computer
which registers both the applied forces and the prolongation at a fast pace, here
set to 10 times each second. Therefore, each resulting data file contains hundreds, or even thousands, of values. Even if we actually measure the extension,
δ L and the force, F, we are more interested in the stress, σ and strain, є. These
values are calculated as:
δL
F
σ = –– and є = ––– .
A
By using the formula:
L
σ
Ε = ––
є
for the first interval of 200 values we calculated so-called the Young’s modulus.
This modulus can also be depicted as the slope of the curve in so-called σ є
graph.
70
Bending tests
Because wood, many times, shows so large differences in strength at tension
compared to compression, bending tests are important. Another fact is that most
parts in wooden constructions are not under ”clean” axial tension or compression, but instead it is part of constructions that bends. For furniture and other
small structures, axial forces can often be neglected without any hazards,
because the internal stress in each member will be very small compared to the
strength of the material. Note that compression along the axis of slender wooden
parts might lead to so-called buckling, where the structure might collapse without any warning at all, see Gustafsson [1996] for a study on this. However,
a beam that is bent is actually tensed on one side of the neutral layer and
compressed on the other. A bending test, therefore, should give us an average
value of the strength. Most of larger actual structures in buildings, bridges,
scaffolds and other such common artefacts use wooden beams under bending.
A very straightforward test is called 3-point bending, because a beam is
supported at each end and the force is applied in the middle of the beam, see
fig. 1.
Fig. 1. Three-point bending tests. Experimental setup
Rys. 1. Próby zginania trzypunktowego. Układ eksperymentalny
The things actually measured are the force and the deflection of the beam
under the applied force. In this type of test so-called shear stress is introduced
which results in a too large a value for the deflection and hence 3-point bending
is mostly used just for monitoring so-called Modulus of Rupture (MOR), which
is the largest tension/compression achieved when the beam is cracked. See e.g.
Kollmann, Côté [1984], p. 300, and Tsuomis [1991], p. 184. Because of this fact
only so-called 4-point bending tests was used in our study, see fig. 2.
71
Fig. 2. 4-point bending test
Rys. 2. Próby zginania czteropunktowego
In such tests the influence of shear stress could be neglected because of the
constant moment in the middle of the beam and this type of test is therefore
assumed to give us a more accurate value of the Modulus of Elasticity (MOE).
Also in this test the force, F, and the deflection, y, are measured. Together with
the height of the beam, h, the width, w, and the length, L, this modulus is calculated as:
FL3
.
ΜΟΕ = –––––––
36wh3y
In tension and compression tests the Young’s modulus is calculated based on
the slope of the stress and strain graph. Each experiment gives us one graph and
one modulus. In bending tests one MOE can be calculated for each registered
level of the force and deflection. This fact also makes it possible to test MOE
without destroying test specimens. In the Scandinavian code for wood testing,
see Kucera [1992], p. 45, the procedure is described in detail. The basic idea is
to calculate two moduli for much specified forces. These forces depend on the
density of wood (see below under the parts devoted to each type of wood).
Moisture content
The ability to withstand different forces from the outside to a large extent
depends on the density of wood, but also on the moisture content, i.e. the ratio of
the weight of water contained in wood to the weight of wood itself, see e.g.
Kollmann, Côté [1984], page 310, for a graph of this. Therefore the measurement of water content in wood is vital when studying the solid mechanics
72
properties of wood. A fool-proof way to measure this is to use a good scale and
note the weight of each specimen before and after it was in an oven for a day or
two. All water in wood will then be changed into steam, which in turn is transported from wood by diffusion.
Testing of oak, Quercus robur
Tension tests of oak
Stress [MPa]
Naprężenie [MPa]
Just as an example of testing we show a graph of our first five tensile tests, see
fig. 3.
Strain [%]
Odkształcenie [%]
Fig. 3. Five tensile tests of oak, Quercus robur
Rys. 3. Pięć prób rozciągania drewna dębu, Quercus robur
Even if there is few tests, only five in fig. 3, it is possible to get a grasp of
the strength in terms of endured stress and strain. It is also important to note that
the traditional look, i.e. for metals, of a stress and strain graph does not apply
when oak wood is tensed to rupture. For instance, we cannot see any plastic
region where the curve becomes non-linear.
Instead it is an almost perfect linear relationship between the strain and
stress from the starting point of the graph to rupture. Study for instance our first
test in fig. 3. The corresponding line is drawn using a normal line in the graph,
also identified as the second line to the right from the stress scale, i.e. the
73
ordinate axis, at the level of 60 MPa. It is obvious that the line starts almost in
the point (0, 0) and continues in a straight line up to (0.62, 85), where some
rupture occurs. However, the specimens did not break in two until the stress
became of about 92 MPa.
These graphs show that both the endured strain and corresponding stress,
and also the slope of each curve, differ significantly between different specimens. By using the slope in the tensile σ є graphs we calculated the Young’s
modulus as found in table 1. In this table we also included maximum stress for
each specimen just before rupture.
Table 1. The Young’s modulus and maximum stress at tension for ten specimens of
oak, Quercus robur
Tabela 1. Moduł Younga i maksymalne naprężenie przy rozciąganiu dla dziesięciu próbek
drewna dębu, Quercus robur
Specimen number
Young´s modulus [MPa]
Maximum stress [MPa]
Numer próbek
Moduł Younga [MPa]
Maksymalne naprężenie [MPa]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Average
13,922.9
13,113.4
10,776.2
9,339.0
14,821.4
12,045.1
10,395.8
12,985.6
10,043.2
10,171.3
95.17
96.68
91.02
50.48
108.01
98.68
94.47
79.53
66.20
67.87
11,761.4
84.81
1,874.5
18.12
Średnia
Stand. dev.
Odchylenie standardowe
Now it is interesting to find out if other researchers have found similar
results. In Kollmann, Côté [1984], page 295, a value of 58,100 kp/cm2, i.e.
≈ 57 MPa, is shown, but the authors write that this value probably is too low.
Instead 130,000 kp/cm2 should apply. Noteworthy is the fact that the value is
monitored in 1935, more than 70 years ago. Another value can be found in
Tsuomis [1991], page 164, and there the value of maximum tension stress is
found to be 109 MPa. No value of the Young’s modulus for tension is presented.
From the figures in table 1 it is obvious that the values differ very much between
different specimens and also that they are lower than some corresponding values
found in literature.
Above we mentioned that the moisture content had a significant influence on
the strength. Dryer specimens are stronger than those containing more water. In
table 2 we show the results of our measurements for our oak specimens.
74
Table 2. Moisture content, M.C. in % for the oak, Quercus robur, tensile test specimens
Tabela 2. Wilgotność w % dla drewna dębu, Quercus robur, próbki do prób rozciągania
Specimen no.
M.C. in %
Specimen no.
M.C. in %
Nr próbki
Wilgotność w %
Nr próbki
Wilgotność w %
1
2
3
4
5
5.46
5.44
5.53
5.60
5.50
6
7
8
9
10
5.58
5.52
5.53
5.59
5.60
In Tsuomis [1991] the author mentions that the shown values are calculated
for specimens in air-dry condition, but it is not exactly clear what moisture
content this would imply. The cited references in Tsuomis [1991] are published
in Romania and in Germany and hence the M.C. was probably higher than for
our own specimens. Due to the fact that the strength should grow when the
moisture content gets lower, it is a little disappointing that our test showed lower
values even if we used dryer samples. However, this was the result of the test.
Compression tests of oak
We also tested a number of oak specimens under compression. The tests are
supposed, due to Kucera [1992], page 28, to be made using small rectangular
pieces, but with quadratic cross sectional areas. Each side is supposed to be 0.02
m, whilst the length is set to be 0.06 m. Unfortunately, we did not have such
samples but instead we used specimens of the size 0.015 × 0.015 × 0.045 m.
Table 3 shows the moisture content for the specimens.
Table 3. Density in g/cm3 and moisture content, M.C., in % for the oak, Quercus
robur, compression test specimens
Tabela 3. Gęstość w g/cm3 oraz wilgotność w % dla drewna dębu, Quercus robur, próbki do
prób ściskania
Spec. no.
Density [g/cm3]
Density [g/cm3]
Gęstość [g/cm3]
M.C.[%]
Spec. no.
Nr próbki
Wilgotność w %
Nr próbki
Gęstość [g/cm3]
Wilgotność w %
1
2
3
4
5
0.734
0.655
0.741
0.645
0.749
6.66
5.18
5.10
5.19
5.25
6
7
8
9
10
0.745
0.757
0.680
0.727
0.760
4.62
5.05
5.18
5.05
5.36
0.719
5.26
Average/Średnia
M.C. [%]
75
Stress [MPa]
Naprężenie [MPa]
When a piece of wood is compressed to the level of rupture the inner
structure is crushed. Normally the piece does not break into two parts but instead
it only becomes shorter and shorter. Therefore the graph for a compression test
looks significantly different from the corresponding graphs for tensile tests, see
fig. 4. The very start of testing is also different. As can be found in the graphs
the stress did not increase when the test started, but the curves are located a little
bit to the right instead. This is probably so because of the small gaps between the
testing equipment and the specimens. These gaps must be closed before the
stress gets higher, i.e. when the force is actually increasing.
Strain [%]
Odkształcenie [%]
Fig 4. The first five compression tests of oak, Quercus robur
Rys. 4. Pięć pierwszych prób ściskania drewna dębu, Quercus robur
One of our tests was completed for a strain of about 0.6%, whilst another
went on up to over 4%. The strain for maximum stress was found to be between
the values of 0.57% and 1.44%, see table 4. It can be also found in the table that
one of the specimens, i.e. number 10, had a significantly higher the Young’s
modulus than the others.
If tables 4 and 1 are compared, it is obvious that values of maximum stress
under compression are lower than the values found for tension. However, the
difference is small compared to the expected. In Tsuomis [1991], p. 164, oak is
expected to have the tension strength along the fibres of about 108 N/mm2,
whilst the compression strength is about 42 N/mm2. In our tests the correspon-
76
ding average values are 85 and 76 N/mm2. The Young’s modulus for test
number 10 is surprisingly high, about 29,000 MPa, compared to the other values
about 15,000 MPa. Even if the modulus is high the stress before rupture was
approximately the same as for the other specimens. If number 10 is excluded
from the average, we still get the Young’s modulus under compression of about
14,000 MPa. It must be noted here that we used software provided by the manufacturer of the testing equipment, an Instron 5582, in order to test our specimens.
Each compression test has been made with a sample rate of 10 ”points” per
second and with so-called cross-head speed of one mm per minute. The test is
stopped when the force gets lower than the preset value or when the number of
registrations becomes too large. Hence, during each test a different number of
points was registered. Just as an example, in test number 1, 2,536 lines are
present in the data file, whilst for test number 10 2,296 are present.
Table 4. Ten compression tests in the fibre direction for oak, Quercus robur
Tabela 4. Dziesięć prób ściskania wzdłuż włókien dla drewna dębu, Quercus robur
Specimen
Number
Max. Load
kN
Stress
at Max. Load
MPa
Strain
at Max. Load
%
Young´s Modulus
MPa
Numer
próbki
Maksymalne
obciążenie
kN
Naprężenie
przy maksymalnym
obciążeniu
MPa
Odkształcenie
przy maksymalnym
obciążeniu
%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15.74
13.94
18.37
13.90
18.66
18.59
18.54
13.94
16.25
15.68
72.69
65.01
85.61
64.75
86.76
86.27
86.04
64.69
75.29
73.12
0.5728
1.1180
0.9145
1.3430
1.2190
1.1200
1.1060
1.1740
1.4410
0,6860
15,720
13,840
18,100
11,400
15,070
15,810
14,730
10,570
11,610
29,220
16.36
76.02
1.0690
15,610
2.04
9.48
0.2729
5,320
Average:
Średnia:
Stand. dev.:
Odchylenie
standardowe:
Moduł Younga
MPa
Bending tests of oak
The procedure for four point bending tests was described above. These tests are
done using different forces. In order to find them it is necessary to calculate the
density of the specimen. In our case the length was measured to 341 mm and the
width and height to 20 mm, which gave us a volume of 136.4 cm3. The weight
77
was found to be 91.62 g and hence the density was calculated to 0.672 g/cm3.
Three forces are used actually. We found these three forces in the table in
Kucera [1992], p. 44: F1 = 288.3 N, F2 = 720.7 and Fa = 201.5 N. The specimen
was then to be loaded with F2 force; however, it split on the two forces shown in
fig. 2. After this the load was reduced to Fa level. This was done twice. The
beam was then to be reloaded again up to F1 level. The force and the deflection
were monitored ten times, each 0.1 second. This gave us an average value of the
lower force of 290 N, whilst the average deflection was 0.092 mm, i.e. we tried
to set it to zero. The force was then increased to F2 level, i.e. 720 N. That time as
well the actual force and the deflection were measured each 0.1 second giving
us ten new values for force and deflection. The average was calculated to, by
coincidence, 720 N and the deflection to 0.26 mm. The difference between the
average forces, 430 N, and the average deflections, 0.17 mm, was then used to
calculate MOE. The result was, without approximations:
430 × 0.3003
ΜΟΕ = –––––––––––––––––––
= 11,873 M Pa.
36 × 0.0204 × 0.00017
Four measurements were to be made for each specimen resulting in three
more values, 12,164, 12,249, and 12,130 MPa. This led us to a new average
which was calculated to 12,104 MPa. In all we had ten specimens and each
resulted in four calculated MOEs. The average for each specimen is shown in
table 5.
Table 5. Average MOE4 and standard deviation values for oak, Quercus robur
Tabela 5. Średnie wartości MOE4 i odchylenia standardowego dla drewna dębu, Quercus
robur
Test number
Numer próby
1
2
3
4
5
MOE4 [MPa]
Test number
Numer próby
12,104
11,916
8,992
13,315
13,634
Average:/Średnia:
Stand. dev.:/Odchylenie standardowe:
6
7
8
9
10
MOE4 [MPa]
12,125
13,464
12,630
12,021
12,231
12,243
1,311.6
Our findings were then compared to values found in literature. In Tsuomis
[1991], page 164, MOE for white English oak is said to be 12,250 MPa, whilst
red oak is slightly ”weaker” characterised by MOE of 11,560 MPa. The writers
of Boutelje, Rydell [1989] gave us the values from 10,000 to 13,000 MPa.
Hence, it seems that our oak is well in the vicinity of the values found by other
examinations.
78
Testing of beech, Fagus sylvatica
Tensile strength tests, beech
The method dealt with was exactly the same as before. The specimen was
equipped with an extensometer with a gap of 25 mm and the load in kN was
registered each 0.1 second until the specimen broke in two pieces.
As for the oak tests the properties differed between different specimens. We
can also see that our beech wood is significantly stronger than the oak ditto, see
table 6. After testing the tensile strength, each piece of the specimen was dried in
the oven in order to evaporate all water. Using the weight before drying and after
drying, the moisture content could be calculated. Table 6 also shows these
resulting conditions.
Table 6. The Young’s modulus and maximum stress at tension for ten specimens of
beech, Fagus sylvatica
Tabela 6. Moduł Younga i maksymalne naprężenie przy rozciąganiu dla dziesięciu próbek
buka, Fagus sylvatica
Specimen no.
M.C. [%]
Numer próbki
Wilgotność [%]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5.73
5.65
5.61
5.60
4.29
5.68
5.57
5.50
5.62
5.58
Average:/Średnia:
Stand. dev:/Odchylenie standardowe:
Young´s modulus
[MPa]
Maximum stress
[MPa]
Moduł Younga
[MPa]
Maksymalne naprężenie
[MPa]
12,464.1
15,795.2
14,324.1
15,741.2
13,653.3
13,757.6
13,899.0
12,103.1
14,240.0
13,564.9
13,954.3
1,189.4
128.8
150.9
132.3
135.5
126.1
122.4
112.3
129.5
143.8
122.3
130.4
11.09
The average of all specimens was calculated to 130.4 MPa, which value
corresponds to the one found in Tsuomis [1991], page 164, which was 130 MPa.
Furthermore, in Boutelje, Rydell [1998], page 70, it is said to be 135 MPa.
Unfortunately, the Young’s modulus is not presented neither in Tsuomis [1991]
nor in Boutelje, Rydell [1998], but the Ey value for red beech in Kollmann, Côté
[1984], page 295, is said to be 144,100 kp/cm2 which equals 14,100 MPa. The
values in table 6 seem to correspond very well with the values found in literature. It is also obvious that beech wood has a higher Young’s modulus compared
to the oak ditto.
79
Also in this case our specimens contained less water, about 5.5%, than those
mentioned in literature (between 12 to 15%). Hence, our tensile strength values
should perhaps be even higher, even if the Young’s modulus is the least sensitive of the strength properties to changes in the moisture content, see Kollmann,
Côté [1984], page 310.
Compression tests of beech
Like in the case of oak we studied strength under compression for 10 specimens
of beech.
In graphs, not presented here, it is shown that the tests went on for a longer
period of time, i.e. the samples were compressed to a higher level than the oak
ditto. There were also less problems at the beginning of the tests and the stress,
i.e. the force was actually increasing from the very moment when the machine
cross-bar started to move. The differences between the Young’s moduli also
seemed to be slightly less than before but that to some extent depended on
different scaling. These graphs also show that the samples can endure significant
load even if maximum crushing strength was exceeded. Furthermore, those
experiments showed a closer relationship with traditional tests of the Young’s
modulus, because maximum load was found well to the right of the linear
sections of the graphs. We put together our findings in table 7 as well.
Table 7. Density, moisture content, the Young’s modulus and maximum stress
under compression for ten specimens of beech, Fagus sylvatica
Tabela 7. Gęstość, wilgotność, moduł Younga i maksymalne naprężenie przy ściskaniu dla
dziesięciu próbek buka, Fagus sylvatica
Spec. no.
3
Density [g/cm ]
M.C. [%]
Young´s m. [MPa]
Max. stress
[MPa]
Numer próbki
Gęstość [g/cm3]
Wilgotność [%]
Moduł Younga
[MPa]
Maksymalne
naprężenie
[MPa]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.792
0.789
0.763
0.748
0.745
0.802
0.765
0.761
0.771
0.748
6.45
12.81
6.13
6.07
6.35
6.42
6.11
6.15
6.08
6.14
16,426.1
15,130.3
11,867.7
13,141.6
11,503.4
12,334.6
12,047.1
13,362.6
13,410.9
11,788.2
93.8
84.6
81.4
85.5
77.9
90.7
83.7
81.9
87.5
76.2
Average:/Średnia:
13,101.3
84.3
Stand. dev.:/Odchylenie standardowe:
1,592.9
5.41
80
The compression values in table 7 also show that beech is a stronger type of
wood compared to oak, see the Maximum stress column in table 4. If looking at
the Young’s modulus oak seems to be somewhat less elastic than beech, i.e. oak
has a higher modulus. This is a little surprising, because the same seems to be
invalid at tension, compare tables 6 and 1.
Naturally, we also measured the moisture content of our beech specimens
and they were slightly less dried than the oak ditto. The M.C. was about 6%,
with one exception of sample number 2. Perhaps this was due to some measuring error.
Four-point bending tests of beech
The method used is exactly the same as for the oak tests. First we had to find the
density and we measured it to 0.771 g/cm3. If we compare this density with the
one found for our oak specimens it is obvious that beech is a denser type of
wood. This also leads to a higher strength. However, the measured density value
gave us the input in order to get the higher force level, F2, equalling 827.9 N, the
lower level of F1 = 331.1 N and Fa = 231.5 N. As before these values were found
in Kucera [1992]. The monitored MOE4 values are shown in table 8.
Table 8. Average MOE4 values for beech, Fagus sylvatica
Tabela 8. Średnie wartości MOE4 dla drewna buka, Fagus sylvatica
Test number
Numer próby
MOE4 [MPa]
1
2
3
4
5
10,557
14,222
10,828
16,068
13,880
Test number
Numer próby
MOE4 [MPa]
6
7
8
9
10
14,912
11,011
11,640
12,431
14,621
Average:/Średnia:
13,017
Stand. dev:/Odchylenie standardowe:
1,965
The modulus of elasticity for beech is said to be 13,130 in Tsuomis [1991]
and between 10,000 to 16,000 MPa in Boutelje, Rydell [1998]. Both references
therefore apply to our measured value. Also here we find that the species beech
is stronger than oak, even if the difference is smaller than expected, MOE4 for
beech was found to be 13,017 compared to 12,243 MPa for oak.
81
Conclusions
In this paper we tested about 60 specimens made of oak, Quercus robur, and
beech, Fagus sylvatica. Due to the higher density of our beech specimens, 0.771
compared to 0.671 g/cm3 for the oak ditto, it was assumed that beech was
a stronger type of wood. However, this was not the case for the Young’s
modulus under compression. Oak had a higher value, 15,610 MPa, than beech,
13,101 MPa. It was impossible for us to find out why it was so. It is also
interesting that the Young’s modulus for tension differed from the one under
compression, even if the differences were rather small, at least in the case of
beech where the modulus was 13,954 for tension and 13,101 for compression.
The corresponding values for oak were 11,761 and 15,610 MPa, respectively. At
least for oak those differences might be significant when using such moduli in
FEM calculations and we have not yet seen computer programs that can take
such discrepancies into consideration.
It must be noted again that our number of specimens was rather small. It
might be necessary to test several hundred, or even thousand, specimens
sampled from the same board and the same location within the tree to ascertain
that there are in fact differences with significant implications. The bending tests
were used in the form of four-point bending, a method assumed to give us better
values than the three-point ditto. For oak we calculated an average modulus of
12,243 MPa, whilst for beech it was 13,017. The breaking strength during
tension was higher than that under compression, but for oak that difference was
surprisingly small, i.e. 76 MPa for compression and 85 MPa for tension. The
corresponding values for beech were 84 and 128 MPa, respectively.
Acknowledgements
I would like to express my sincere gratitude to Ronnie Fingal for running all the
tests and Bosse Skoog for valuable support during lab work.
References
Boutelje J. B., Rydell R. [1998]: Träfakta, (In Swedish. English title: ”Facts about Wood”).
TräteknikCentrum, Stockholm. ISBN 91-970513-3-0
Enquist B., Petersson H. [2000]: Materialegenskaper för några olika lövträd, (In Swedish)
Material properties for some different hard-woods. Number 3 in 00. Department of
Stuctural Mechanics, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden
Erdil Y.Z., Haviarova E., Eckelman C.A. [2004]: Product engineering and performance
testing in relation to strength design of furniture. Wood and Fibre Science, 36[3]:
411–416
82
Gustafsson, S. I. [1996]: Stability problems in Optimized Chairs? Wood Science and Technology, 30: 339–345
Gustafsson, S. I. [1997]: Indetermined Chair Frames of Ash Wood. Holz als Roh- und
Werkstoff, 55: 255–259
Gustafsson, S. I. [2001]: Mechanical Properties of some Swedish Hard Wood Species. Journal of Materials: Design and Applications, 215(L3)
Hoadley B. R. [2000]: Understanding wood. Taunton Press Inc., Newtown, U.S.A., ISBN
1-56158-358-8
Kasal A., Birgul R., Erdil Y.Z. [2006]: Determination of the strength performance of
chair frames constructed of solid wood and wood composites. Forest Products Journal,
56[7–8]: 55–60.
Kollmann F. F. P., Côté W. A. [1984]: Principles of Wood Science and Technology,
Volume I. Springer-Verlag, Berlin
Kucera B. [1992]: Skandinaviske normer for testing av små feilfrie prøver av heltre. Norwegian Forest Research Institute
Mishra S., Sain M. [2007]: Strength analysis of chair base from wood plastic composites by
finite element method. Material Research Innovations, 11[3]: 137–143
Olsson P., Eriksson P., Olsson K.G. [2004]: Computer-supported Furniture Design at an
Early Sketching Stage. International Journal of Design Computing, 7
Ratnasingam J., Perkins M., Reid H. [1997]: Fatigue: it´s relevance to furniture. Holz als
Roh- und Werkstoff, 55[5]: 297–300
Smardzewski J. [1998]: Numerical analysis of furniture constructions. Wood Science and
Technology, 32[4]: 273–286
Tsuomis G. T. [1991]: Science and Technology of Wood. Van Nostrand Reinhold, New
York edition
WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE SZWEDZKIEGO
DREWNA DĘBOWEGO I BUKOWEGO
Streszczenie
Ze względu na znaczący wpływ na gospodarkę, większość badań drewna w Szwecji
koncentruje się na gatunkach drzew iglastych, w szczególności na sośnie i świerku.
Drewno drzew liściastych stosowane np. w meblarstwie jest w większości importowane.
W celu zwiększenia zainteresowania szwedzkim drewnem liściastym wśród producentów, podjęto badania właściwości wytrzymałościowych drewna dębowego i bukowego
pozyskiwanego w Szwecji.
Określono wartości wytrzymałości przy rozciąganiu i ściskaniu oraz modułu sprężystości przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu. Oznaczono gęstość i wilgotność badanych
próbek. Badania przeprowadzono zgodnie ze szwedzkimi normami. Zginania dokonywano w schemacie czteropunktowym, jako dającym precyzyjniejsze wyniki modułu
sprężystości niż badania w schemacie trzypunktowym. Wilgotność drewna określano
metodą suszarkowo-wagową.
83
Badaniom poddano stosunkowo niewiele próbek, w sumie 60 sztuk dla obu gatunków i wszystkich badanych właściwości. W celu uzyskania bardziej reprezentatywnych
wyników należy przeprowadzić badania kilkuset lub nawet kilku tysięcy próbek.
Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, iż szwedzkie drewno bukowe
jest bardziej wytrzymałe niż drewno dębowe, co można było założyć na podstawie większej gęstości drewna bukowego. Ponadto wartości wyznaczonych wielkości odpowiadają
wartościom znalezionym w literaturze.
Słowa kluczowe: drewno liściaste, dąb, buk, wytrzymałość, moduł sprężystości, Szwecja
Manja KITEK KUZMAN, Sergej MEDVED, Srečko VRATUŠA 1
EVALUATION OF SLOVENIAN CONTEMPORARY
TIMBER CONSTRUCTION
Considering the growing importance of energy-efficient building methods timber
construction will play an increasingly important role in the future. Today wooden
buildings in Slovenia represent just a small percentage of all domestic buildings
constructed. Currently the growing trend towards wooden pre-fabricated houses
is positive. This study is focused on the reasons pertaining to wooden building and
the possibilities of increasing the use of timber in Slovenia. Issues like public attitude towards wooden buildings and its advantages were examined by means of
Slovenian public opinion survey. The survey revealed the lack of knowledge about
wooden buildings and the lack of environmental awareness. The positive trend
towards wooden construction is dictated by international guidelines, where
wooden building is an important starting point not only for low-energy, but also
low-emission building with exceptional health and safety features. Renewable
building materials should already be integrated into the early phases of building
planning. It is expected that in the next years there will be a shortage of detached
houses in Slovenia, hence an increase in the marked share of wood construction is
predicted and there is an increasing need for renovation which is one of the most
extensive tasks we will face in the coming years. So as to further enhance the interest in wooden buildings a specialized portal devoted to wood building in Slovenia has been established
Keywords: wood, sustainable development, timber construction, public opinion,
residential building, web page, portal, Slovenia.
Introduction
Pollution of our natural environment increases every day. This problem has
caught our attention at its very late stage. For a long time the prevailing opinion
was that environmental protection measures were too costly. Due to the pressure
Manija KITEK KUZMAN, Unieversity of Ljubljana, Slowenija
Sergej MEDVED, University of Ljubljana, Slowenija
Srečko VRATUŠA, University of Ljubljana, Slowenija
86
Manja KITEK KUZMAN, Sergej MEDVED, Srečko VRATUŠA
of the environment-conscious public in recent years, an environment-friendly
way of thinking has started to penetrate into areas where initially its opponents
seemed to be the strongest, i.e. into the economy and industry [Oblak 2007].
Every cubic meter of wood used as a substitute for other building materials
reduces CO2, because 0.9 tonnes of CO2 is stored in 1m3 of wood (fig. 1). Based
on these figures a 10% increase in the percentage of wooden houses in Europe
would produce sufficient CO2 savings to account for about 25% of the reductions prescribed by the Kyoto protocol (table 1).
Table 1. Carbon storage in domestic products
Tabela 1. Magazynowanie węgla w produktach dla domu
Elements
Elementy
Carbon content (kg)
Zawartość węgla (kg)
House
10.000 – 25.000
Dom
Wooden window
25
Drewniane okno
Wooden flooring
5
Drewniana podłoga
Furniture
1000
Meble
Carbon storage
Magazynowanie węgla
0.9t CO2
3
1m
Wood
1m3
Drewna
2.0t CO2
Energy Substitution
Substytucja energii
1.1t CO2
Fig. 1. Carbon storage and energy substitution by wood
Rys. 1. Magazynowanie węgla oraz substytucja energii przez drewno
Due to even greater environmental-protection awareness the ecological
potential is also assessed for construction materials: defining the quantity of free
CO2 and invested energy, which is freed up during the production of construction
material units. This is why it will be necessary to devote more attention to
balanced production and the use of raw materials and energy sources to achieve
87
Evaluation of Slovenian contemporary timber construction
sustainable development [Lipušček 2008]. The comparative advantage of wood
can be easily represented by the quantity of “grey” energy, i.e. the energy necessary for acquiring and preparing material, assessed using the life cycle analysis
(LCA). It may be true that competitive materials or products have certain technical advantages over wood; however, their energy and ecological balance, which
are defined by the amount of grey energy and the life cycle analysis, are
dramatically poorer than in the case of wood [Torelli 2008] (table 2, fig. 2).
Table 2. The amount of CO2 emission and energy used to produce building material: 1m2 wall element
Tabela 2. Wielkość emisji CO2 oraz energia zużywana do produkcji materiałów budowlanych: element ściany o powierzchni 1 m2
1m2 wall element
Element ściany o powierzchni 1 m 2
Wood building
Brick building
Budynek drewniany
Budynek ceglany
71
273
271
876
-50
58
Weight (kg)
Waga (kg)
Energy (MJ)
Energia (MJ)
Emission (kg)
Emisja (kg)
Source: [Waltjen et al. 1999]
Źródło: [Waltjen i in. 1999]
Solid wastes (kg)
Odpady stałe
Water pollution (index)
Zanieczyszczenie wody (wskaźnik)
Air pollution (index)
Zanieczyszczenie powietrza (wskaźnik)
Global warming potential [Equiv. CO2 (kg)]
Potencjał globalnego ocieplenia
[ekwiwalent CO2 (kg)]
Embodied energy (GJ)
Energia włożona (GJ)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Wood
Drewno
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Concrete
Beton
Fig. 2. Environmental impact of the wooden house vs. concrete house
Rys. 2. Oddziaływanie na środowisko budynku drewnianego w porównaniu z budynkiem
betonowym
Source: [CEI-Bois 2006]
Źródło: [CEI-Bois 2006]
88
Wood as a material for load bearing construction is a future challenge. For
load bearing constructions solid wood, wood-based panels such as plywood,
OSB, and particleboard, as well as Laminated Veneer Lumber (LVL), Parallel
Strand Lumber (PSL), and Laminated Strand Lumber (LSL) are used. Despite
the wide range of wood and wood-based products used for load bearing construction, we have to search for improvement of the above-mentioned products
also in their combination with one another (for example I-beam) or with other
materials (like load bearing and weight lowering material) [Natterer 2008; Kilar,
Vratuša 2007]. Medved [2008] also discussed the advantages of wood and
wood-based products as a material for construction purposes and material for
tackling the climate change. Timber building is a part of the future energyefficient building. Wood is sustainable, CO2 neutral, and highly effective insulator creating excellent living conditions. One specific advantage of wood is its
ability to reduce energy consumption. Timber construction is characterised by
higher heat insulation value than conventional construction methods, even if the
wall thickness is less. An external wall constructed using timber may have only
half the thickness of a brick or concrete wall, yet it provides double thermal
insulation value at the same time avoiding thermal bridging common among
other construction methods. Considering the growing importance of energyefficient building methods timber construction will play an increasingly important role in the future [Mayer 2010].
The construction of buildings in Slovenia represents more than half of the
construction industry, whereby three-fourths of the activities are intended for the
construction of new buildings and only a small share for renovation. The biggest
share (47%) of the existing buildings is represented by residential buildings;
more than half of the residential buildings are made of brick (56%), 16% are
concrete and mixed construction and the rest of the materials, including wood, is
represented to a smaller extent. Wood construction in Slovenian is on the rise;
however, the percentage of new wood buildings in Slovenia is still small with
regard to other newly built residential buildings. In 2008 [SORS] the percentage
of pre-fabricated houses built exceeded 10% of all detached and semi-detached
houses built and the percentage is expected to increase to 15% over the next five
years. In addition to the production of bigger companies, which are united in the
association of Slovenian producers of pre-fabricated houses, some number of
wooden houses constructed by their owners and carpentry workshops has
appeared lately. The board of carpenters at the Chamber of Crafts gathers more
than 500 carpenters. In line with the trends in other Alpine regions the percentage of constructions built by carpentry workshops will increase even more.
The dominant methods of wood construction in Slovenia include frame
construction, skeleton and massive construction. Most companies in the market
offer houses with wood frame construction (fig. 3).
89
a)
b)
c)
Fig. 3. a) Panel construction, b) Wood frame construction, c) Solid wood construction
Rys. 3. a) Konstrukcja panelowa, b) Konstrukcja szkieletowa, c) Konstrukcja z litego drewna
For comparison, in Austria wood construction represents 35.7% of all domestic buildings built per year [pro: HOLZ 2007]. The proportion of wood construction in North America is 90% and in Japan and Scandinavia 45% (fig. 4).
Europe
Europe
Europa
10
Austria
Austria
Austria
35
Japan
Japan
Japonia
45
Scandinavia
Scandinavia
Skandynawia
45
NorthAm
America
North
erica
Ameryka Północna
90
0
20
40
60
80
100
Timber
(%)
Tim
ber frame
fram eshare
share
(%)
Udział drewnianych konstrukcji szkieletowych (%)
Fig. 4. Timber frame share
Rys. 4. Udział drewnianych konstrukcji szkieletowych
Source: [CEI-Bois 2006]
Źródło: [CEI-Bois 2006]
Wood product consumption per capita
The per capita consumption of primary wood products is defined by production,
imports and exports of selected primary wood products according to FAO definitions, and population. The indicator covers the consumption of sawnwood and
wood-based panels (veneer, plywood, particleboards, and fibreboards). The
calculated values of wood product consumption per capita indicate the extent of
90
wood use in construction and the extent of further processing of primary wood
products into final wood products, e.g. furniture.
The European consumption per capita of primary wood products is lower
compared to North American. Finland, Sweden, and Austria are characterised by
the greatest extent of wood and wood-based panel use in construction and
secondary processing (packaging, furniture, etc.) in Europe. According to
official input raw data Slovenian wood consumption is relatively low compared
to available wood resources, nevertheless higher than the European average. An
analysis done by SFI indicates that the real consumption may be in the range of
0.60 to 0.70 m3/capita (fig. 5).
Fig. 5. Wood product consumption per capita in selected EU countries, 2005
Rys. 5. Zużycie produktów drzewnych na głowę w wybranych krajach UE, 2005
Source: [UNECE – analysed by M. Piskur, Slovenian Forestry Institute, 2010]
Źródło: [UNECE – analiza: M. Piskur, Słoweński Instytut Leśny, 2010]
The study is focused on the reasons pertaining to wooden building and the
possibilities of increasing the use of timber in Slovenia. In the Slovenian public
opinion survey on wooden building we were interested in people's opinion on
the existing wooden buildings, their knowledge about passive houses and their
environmental awareness.
91
Material and methods
The survey entitled “Slovenian public opinion on wooden buildings” was targeted at respondents between 25 and 40 years of age who were considered potential buyers of wooden houses based on the registry of population. They were
chosen randomly, which ensured that the sample represented the whole Slovenian population adequately. Data was gathered using the CATI method (computerized telephone survey). The survey started throughout Slovenia on May 16th
and lasted until June 3rd 2006 and it encompassed 628 respondents. The chosen
sample represented all 12 statistical regions of Slovenia and reflected a representative sample of the Slovenian population. A relation between the level of
the use of wood for building and demographic structure aspects of the survey
sample was especially compiled.
The survey was developed by a research group from the Department of
Wood Science and Technology at the Biotechnical Faculty [Kitek Kuzman
2007]. A number of experts in the fields of architecture, construction, and timber
construction also provided their input. Each individual featured in the survey
was asked 5 questions. In the first question they had to decide between classical
brick construction and wooden prefabricated construction. In the following steps
they had to list reasons for choosing wooden prefabricated construction. The
second question concerned their knowledge about the properties and advantages
of wooden prefabricated construction. The third question was similar to the first
one, only this time they were asked about a timber-framed penthouse. The fourth
and fifth question regarded ecology and the respondents were asked about the
ecological aspect of wooden construction and passive houses.
Results
Wooden house building
Currently the growing trend towards wooden pre-fabricated houses is positive.
By asking the respondents if they would have opted for a traditional construction
or a wooden house if they had built a new house, we wanted to determine their
hypothetical preferences, if building was to be carried out at that time. Results
indicate that 60% of the respondents would have decided for a traditional brickconcrete building, whilst 34% would have decided for a timber construction. The
main reasons for not deciding on a wooden house are barriers connected with
perception, tradition, habit, and the lack of knowledge (fig. 6).
92
Dont’t know
Wouldn’t build a hause
Nie wiem
Nie budowałem domu
Wood pre-fab hause
Brick-concrete building
Dom drewniany prefabrykowany
Budynek ceglano-betonowy
Fig. 6. If you built a house, would you prefer a traditional brick-concrete house or
a wooden prefabricated house?
Rys. 6. Gdybyś budował dom, to wolałbyś tradycyjny dom ceglano-betonowy czy drewniany
prefabrykowany?
The advantages of wooden buildings
Less than half of the respondents are familiar with the advantages of wooden
buildings: environmental friendly material, energy conservation, short construction time, fire resistance, more living space etc. The results of the survey showed
that less than half of the respondents (47%) knew the advantages of wooden
construction, therefore we could claim that general knowledge about wooden
construction was poor (fig. 7). The respondents who were familiar with the
advantages of wooden construction were also asked to say what those advantages were in their opinion. The biggest advantages according to the survey
results were: short construction time, ecology, better insulation, price, and
energy efficiency.
Dont’t know
Nie wiem
Yes
Tak
No
Nie
Fig. 7. Are you familiar with wooden building advantages?
Rys. 7. Czy znasz zalety budynków drewnianych?
93
Timber frame penthouse
Further results of the study indicate that only 13% of the respondents living in
detached houses would have decided for a timber-framed penthouse, whilst 10%
possibly would have decided on such a solution (fig. 8). The most common
objection against a timber-framed penthouse was the concern about the combination of a brick-concrete building and wooden building in terms of quality and
aesthetics, fire resistance, price, mechanical and technical properties and safety,
and energy savings.
Fig. 8. In case you need more living space, would you decide for a timber-framed
penthouse?
Rys. 8. Gdybyś potrzebował więcej przestrzeni życiowej, to czy zdecydowałbyś się na nadbudówkę mieszkalną o drewnianej konstrukcji szkieletowej?
Ecology and healthy living
The respondents also graded some statements considering wooden construction,
the use of wood in general, ecology, and a healthy living environment. 70% of
the respondents were in total agreement with the statement that the government
should have allocated more funds towards ecological constructions. Most of
them also agreed with the statement that wood was a good furniture making
material (63% fully agreed with that statement) (fig. 9).
Passive house
In recent years a number of low energy and ultra-low energy houses (PH) have
been built. A passive house is a building in which a comfortable interior climate
can be maintained without active heating and cooling systems [Feist 1988]. The
house heats and cools itself, hence the name "passive". For European passive
construction the prerequisite for this feature is an annual heating demand less
than 15 kWh/(m²a), and this is not to be attained at the expense of an increase in
the use of energy for other purposes (e.g. electricity). Furthermore, the combined
primary energy consumption of the living area of a passive house may not
94
exceed 120 kWh/ (m²a) for heat, hot water, and household electricity. With this
as a starting point, additional energy demands may be completely satisfied using
renewable energy sources. We wanted to establish what the general public’s
knowledge about low energy housing, i.e. passive house, was. The results of the
public opinion survey showed the consumer’s lack of knowledge about passive
house and its advantages (fig. 10).
Government should increase spending on ecological construction
70%
Rz¹d powinien zwiêkszyæ wydatki na budownictwo ekologiczne
Wood is usuitable for ext. Walls, floor elements, windows, doors ...
20%
63%
Drewno nadaje siê na zewnêtrzne œciany, elementy pod³ogowe, okna, drzwi
Woods is suitable material for constructions
24%
44%
Drewno jest odpowiednim materia³em konstrukcyjnym
Ecological construction in expensive
Budownictwo ekologiczne jest drogie
Wooden building allows healthier living than brict-concrete one
30%
38%
24%
32 %
Budynek drewniany pozwala na zdrowsze ¿ycie ni¿ ceglano-betonowy
0%
40%
9%
18%
24%
30%
20%
8%
5%
80%
Fully agree/Zgadzam siê w pe³ni
Agree/Zgadzam siê
Not even/Nie
Don’t agree/Nie zgadzam siê
Don’t agree at all/Wcale siê nie zgadzam
Don’t know/Nie wiem
Fig. 9. Statements about wooden building, ecology and healthy living
Rys. 9. Stwierdzenia dotyczące budynków drewnianych, ekologii i zdrowego życia
Don’t know
Nie wiem
Yes
Tak
No
Nie
79%
Fig. 10. Are you familiar with the passive house (PH)?
Rys. 10. Czy wiesz co to są domy pasywne?
3%
1%
2%
1%
3%
6%
5%
28%
60%
6%
1%
1%
1%
100%
2%
4%
95
According to the survey results the biggest advantages of PH were energy
savings and environmentally friendly building. However some concerns about
the price and quality performance were revealed as well.
Discussion
Despite the small share of newly built wooden buildings in Slovenia, a positive
trend can be observed indicating the rise of wooden building popularity. Since
Slovenia has no tradition of wooden building, despite natural resources, the main
reasons for that were investigated by the public opinion survey presented. The
results show that people who would have chosen a brick-concrete construction,
would have done so mainly because of old habits, tradition, and poor knowledge
about wooden construction. Less than 47% of the respondents were familiar with
the advantages of wooden construction: environmentally friendly material, energy conservation, short time of building, fire resistance, more living space etc.
(fig. 7). We have assumed that the share of wooden constructions in Slovenia
was so low due to the lack of knowledge about the properties of wooden constructions (either their advantages or disadvantages). We can now claim that our
assumptions were correct.
65% of the Slovene population lives in detached houses (Product Group
Manager 2005), which was also confirmed by our survey results. In one of the
questions in the survey we asked the respondents if they would have chosen
a timber-framed penthouse extension in case they had lived in a house and
needed more living space. The minority answered “yes” or “maybe”. The most
frequently given answers were reservations about the quality and aesthetics of
combining classical construction with wooden. The respondents also stated that
they thought ecological construction was more expensive, but on the other hand
they admitted that it provided a healthier living environment. Most participants
thought that wood was good furniture making material, but less appropriate
for construction. Only 5% of the respondents were familiar with passive construction and they saw its advantages in energy efficiency and ecological
construction. In the next 5 years we are expecting an increased demand for detached houses and according to research [Mandič 2005] we are also expecting an
increase in wooden construction.
The research has confirmed that people are prepared to pay more money for
a healthy living environment, especially in the case of bedroom and children’s
room. Even the results of the Emid research (ProHOLZ Austria) indicate that
95% of the citizens think that wood creates a pleasant atmosphere and that they
feel even better in rooms made of wood. The majority thinks that wood is part
of the first three materials which assist in healthy living and agrees that its use
should be increased, especially in residential construction. Furthermore, the
96
results of our research show that the majority agree that wood is suitable material for furniture and building structures; however, only a third of those asked
would have decided on windows with wood frames. The reasons for that are
especially the price, maintenance, and doubts about durability.
In conclusion, we can say that today’s market for wooden construction reflects the present public opinion on wooden construction. The trend towards
healthier living, increasing the use of natural resources and materials, and energy
saving building has been identified. The main task in the future should be informing and educating the public about the advantages of wooden construction.
We consider this public opinion survey a good starting point for a potential campaign for raising awareness about the subject of wooden construction in Slovenia.
This is why it is necessary to constantly recommend the undisputed comparative advantages of grown, renewable, and CO2 neutral wood or wood
products to politicians, society, individuals, and end users, emphasising the low
content of grey energy and favourable analysis of the life cycle [Torelli 2008].
Stereotypical doubts about wood and wood products’ structural characteristics,
fire protection, durability, and aesthetic value are still present. Systematic education, professional assistance and shaping aesthetic and cultural values regarding
wood construction are needed. Executed projects must be presented to the
professionals and interested public, whilst good projects based on knowledge
and innovativeness and their commercialisation must have precedence. It is
necessary to carry out wooden construction projects, especially in the case of
public buildings, i.e. kindergartens, schools, and multi-storey buildings, and
increase among people awareness about the fact that wood is quality, cheap, and
energy effective construction material, and thus increase the use of wood as
a construction material to the level comparable with the rest of construction
materials. The portal devoted to wood construction in Slovenia [www.lesenagradnja.si; Kitek, Vratuša 2009] has been set up to inform the wider public about
wood construction. The essential part of the portal presents a database of newly
constructed wooden buildings (residential houses, public buildings, facades etc.)
and database of professional articles. The articles concern the area of wood
construction from the point of view of material (wood), the construction industry, and architecture. The authors of the articles are recognised professionals
from the academia and business. The dynamics of the entries of buildings and
articles in the LG e-catalogue is constantly growing (fig. 11, 12). The Internet
portal was established and is supported by the University of Ljubljana (the
Wood Science and Technology Department at the Biotechnical Faculty, the
Faculty of Architecture, and the Faculty of Civil Engineering and Geodesy), the
University of Maribor (the Faculty of Civil Engineering), the Chamber of
Architecture and Spatial Planning of Slovenia, and the Slovenian Chamber of
Engineers. The portal also allows co-operation between architects, engineers and
97
wood science practitioners who operate in isolation too often. New projects on
wooden buildings as well as technical and professional papers are published
weekly.
Fig. 11. Web portal www.lesena-gradnja.si
Rys. 11. Portal internetowy www.lesena-gradnja.si
LG e-catalog
Artyku³y
Pozycje w bazie danych (³¹cznie)
Items in database (cumulatively)
Elektroniczny
katalog
Elektroniczny
katalog
LG
jun - 09
jul - 09
czerwiec
2009
lipiec
2009
LG
Domy
agu
- 09 sep - 09
aug-09
sierpieñ
2009
wrzesieñ
2009
oct - 10
nov - 09
dec - 09
jan - 10
paŸdziernik
2009
listopad
2009
grudzieñ
2009
styczeñ
2010
Fig. 12. The dynamics of the entries of buildings and articles in the LG e-catalogue
Rys. 12. Dynamika wpisów dotyczących budynków i artykułów w elektronicznym katalogu LG
98
With the intention of stimulating ecological construction the goal in the
construction industry in the future will be to develop an evaluation of buildings
with regard to their environmental-low emissions, economic – LCCC and social
– health and safety – acceptability. Each building will have to be marked regarding how much energy was invested into its construction or how many CO2
equivalents were freed during the construction, taking into consideration materials and technology.
Wood is a Slovenian national material with magnificent attributes and its use
is a patriotic and environmentally friendly activity [Torelli 2008]. In Slovenia
wood has already proven to be a traditional material in the national architecture
and modern times set new challenges. In addition, development of science and
technology has even made it possible to always use new methods in relation to
this environmentally friendly and renewable material. Due to flooding of the
market until 2025, a decrease in the construction of new apartment buildings is
expected in Slovenia. Due to the need for reduction of energy consumption in
buildings, a complete renovation of buildings [Novak 2008] is planned, hence
there will be a great chance to renovate wood construction of the existing
buildings. International guidelines also dictate a positive trend in wood construction, where wood construction is in great expansion and represents an important
starting point not only for low-energy, but also for low-emission construction
with exceptional prospects concerning health and security.
Acknowlendgments
This study was part of the Research Program “Lesarstvo” supported by the Ministry of Higher Education, Science and Technology of the Republic of Slovenia.
The authors want to thank this agency and all study participants for their generous contribution of time and information.
References
CATI [2008]: Lesena gradnja. Ljubljana, Cati trženjske, medijske, družbene raziskave in
svetovanje: 23
CEI-Bois [2006]: Tackle Climate Change. Use Wood: 1–5
Feist W. [1998]: Das Passivhaus – austanderd der Zukunft? Protokollband Nr. 18, Daeremstadt, Passivhaus Institut
Gach H. [2008]: Erfolg der Österreichischen Holzindustrie. pro:Holz Steiermark, Holzcluster
Steiermark GmbH. At:
http://www.gzs.si/slo/panoge/zdruzenje_lesne_in_pohistvene_industrije/41633
99
GZS – Združenje lesne in pohištvene industrije [2007]: Podatki o prodaji montažnih hiš v
letu 2006. Sekcija slovenskih proizvajalcev montažnih hiš pri GZS – Združenju lesne in
pohištvene industrije
Kilar V., Vratuša S. [2007]: The usage of glued laminated timber structures in architecture.
In: Xie Y.M. (ed.), Patnaikuni I. (ed.); Innovations in structural engineering and construction: proceedings of the Fourth International Structural Engineering and Construction Conference (ISEC-4), Melbourne, Australia, 26–8 September, 2007, (Balkema –
Proceedings and monographs in engineering, water and earth sciences). London [etc.]:
Taylor & Francis, cop. 2008: 237–43
Kitek Kuzman M., Vratuša S. [2009]: Spletni portal za leseno gradnjo www.lesenagradnja.si = Web portal for wooden building www.lesena-gradnja.si. Les 61[09–0]: 401–05
Lipušček I. [2008]: Ocenjevanje življenjskih ciklov izdelkov z vidika obremenjevanja okolja
– metoda LCA. Založba Univerze v Novi Gorici: 152
Mandič S. [2006]: Raziskovalno razvojni projekt Stanovanjska anketa. Zaključno poročilo.
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za družbene vede, Inštitut za družbene vede: 64
Mayer M. J., Peters C. [2006]: The benefits of using wood. Roadmap 2010. Rentschler,
Munich: 60 (Source UNECE – analysed by M. Piskur, Slovenian Forestry Institute)
Medved S. [2008]: Wood based products and climate changes. In: Acker J. van (ed.); An
European wood processing strategy: future resources matching products and innovations;
May 30th and June 2nd-3rd 2008, Milan, Italy. Milan, Ghent University, Universita degli
studi di Firenze: 127–134
Natterer J. [2008]: Simple – tech konstrukcije. V: Gradnja z lesom – izziv in priložnost za
Slovenijo. Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 18–21
Novak P. [2008]. Slovenija – nizko ogljična družba do 2025. Idejna zamisel kako do nje.
Inštitut za visoke tehnologije in sisteme: 7
Oblak L. [2007]: Environment – friendly economic development in enterprise. At: Marketing and trade 2007 – The influence of globalization on foreign trade policy: Zborník
z medzinárodnej vedeckej konferencie, Zvolen, november, 2007. Zvolen, Technická univerzita vo Zvolene: 233–237
Pohleven F. [2008]: LES je kot gradbeni material najbolj učinkovit v boju proti podnebnim
spremembam. Teden arhitekture 2008: Korak naprej v kakovosti bivanja. Predavanje
v Posoškem razvojnem centru, 14. junij 2008, Tolmin
Pohleven F. [2008]: Memorandum o umni rabi lesa. September 2008:1
Premrov M. [2008]: Lesene konstrukcije. Univerza v Mariboru, Gradbena fakulteta: 2–4
pro:Holz [2007]: Die Österreichische Forst-und Holzindustrie: 1–4
Product Group Manager [2005]: Analiza stanovanjskih navad slovenskega prebivalstva.
PGM: 2–4
SORS Statistical office of the Republic Slovenia [2008]: Statistical Yearbook: 113–129
Šijanec Zavrl M. [2008]: Energijsko učinkovite stavbe – evropske direktive, zahteve in
energetska izkaznica. V: Gradnja z lesom – izziv in priložnost za Slovenijo. Univerza
v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 204–208
Torelli N. [2008]: Les zares. V: Gradnja z lesom – izziv in priložnost za Slovenijo. Univerza
v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 67
Waltjen et al. [1999]: Ökologischer Bauteilkatalog. Bewertegängige Konstruktionen, Springer-Verlag, Wien
100
OCENA WSPÓŁCZESNEGO SŁOWEŃSKIEGO
BUDOWNICTWA DREWNIANEGO
Streszczenie
Drewno w Słowenii jest dobrem naturalnym, którego zasoby nie są optymalnie wykorzystywane. Obecnie w Słowenii budynki wznoszone z wykorzystaniem drewna stanowią jedynie niewielki odsetek wszystkich budowanych obiektów. Jednocześnie kładzie
się coraz większy nacisk na budownictwo energooszczędne i ekologiczne, zarówno na
etapie powstawania budynków, jak i na etapie ich eksploatacji. Wykorzystanie drewna
może wydatnie pomóc w uzyskaniu tego celu. W chwili obecnej można już zauważyć
pozytywny trend zmierzający w tym kierunku.
Podstawą analiz w tej pracy było badanie opinii publicznej, które miało na celu
znalezienie przyczyn obecnego stanu oraz pokazanie możliwości zwiększenia wykorzystania drewna w słoweńskim budownictwie w przyszłości. Zostało ono przeprowadzone
w 2006 roku pośród ludzi będących potencjalnymi nabywcami nowych domów.
Pytania były podzielone na dwie kategorie. Pierwsza z nich dotyczyła wyboru technologii budowy nowego domu lub rozbudowy istniejącego. Druga kategoria to pytania
sprawdzające wiedzę na temat właściwości drewna i zalet jego wykorzystania w budownictwie oraz świadomości ekologicznej w odniesieniu do konstrukcji drewnianych
i domów pasywnych.
Na podstawie analizy zebranych odpowiedzi można stwierdzić, iż obecny poziom
wykorzystania drewna w budownictwie znajduje odzwierciedlenie w opinii publicznej
na temat konstrukcji drewnianych. To brak wiedzy o budownictwie drewnianym i jego
zaletach oraz świadomości ekologicznej są znaczącymi przyczynami obecnego, niskiego
poziomu wykorzystania drewna w budownictwie.
Przeprowadzone badanie opinii publicznej jest punktem wyjścia dla kampanii na
rzecz poprawy świadomości Słoweńców w tym zakresie. Pierwszym elementem tych
działań było uruchomienie portalu internetowego poświęconego budownictwu drewnianemu. Znajduje się tam baza danych o nowo budowanych obiektach drewnianych oraz
artykuły, także naukowe, związane z tematyką budownictwa drewnianego.
Słowa kluczowe: drewno, zrównoważony rozwój, konstrukcje drewniane, opinia publiczna, budownictwo mieszkaniowe, strona internetowa, portal, Słowenia
DONIESIENIA – REPORTS
Iwona POMIAN, Andrzej FOJUTOWSKI,
Hanna WRÓBLEWSKA, Magdalena KOMOROWICZ,
Aleksandra KROPACZ, Andrzej NOSKOWIAK 1
RESEARCH ON WOOD SUBMERGED IN THE SEA
The Polish Maritime Museum in Gdansk participated in the EU project MACHU
aiming at creation of a system of location, making information on European
subaqueous maritime cultural heritage available and dissemination of it. 7 EU
countries co-operated in the project. The Wood Technology Institute contributed
to research on durability of small oak wood samples submerged in the sea. The
samples were considered bioindicator of changes. The outline of research in the
project is presented below.
Keywords: marine research, cultural heritage, wood, oak, bioindicator
Subaqueous cultural heritage is rich and diverse, and in many places in Europe
also well preserved. European history is closely connected with its maritime
heritage. Unfortunately, we do not know much about subaqueous cultural heritage, because usually it is invisible and almost inaccessible. The advantage of
Iwona POMIAN, Polish Maritime Museum, Gdansk, Poland
Andrzej FOJUTOWSKI, Wood Technology Institute, Poznan, Poland
Hanna WRÓBLEWSKA, Wood Technology Institute, Poznan, Poland
Magdalena KOMOROWICZ, Wood Technology Institute, Poznan, Poland
e-mail:[email protected]
Aleksandra KROPACZ, Wood Technology Institute, Poznan, Poland
e-mail:[email protected]
Andrzej NOSKOWIAK, Wood Technology Institute, Poznan, Poland
102
I. POMIAN, A. FOJUTOWSKI, H. WRÓBLEWSKA, M. KOMOROWICZ, A. KROPACZ, A. NOSKOWIAK
this situation is that submersed in water for centuries remains of maritime floating objects and loads carried by them were naturally protected from treasure
hanters. However, contemporary, dynamic development of new technologies
makes the subaqueous heritage more accessible, but also more threatened. In the
case of popular, well-known locations of underwater objects pillage poses a
serious problem, and projects assuming commercial exploitation also use a valuable source of knowledge about the location of objects. Hitherto subaqueous
cultural heritage management was not based on any special planning or coordination; although in some places it was effective thanks to a database of locations. Still, the level of understanding of fundamental processes (regional as well
as local) that threaten the underwater sites is limited. Better understanding of the
process of creation and changing of the sites is necessary because of more and
more popular national and international policy consisting in preservation, conservation, and management of the sites in situ (ICOMOS Charter, UNESCO
Convention, 2001). In the framework of the European Union Programme
“CULTURE 2000” the project on Managing Cultural Heritage Underwater
(MACHU) was undertaken. The participants of the project were Belgium, Germany, the Netherlands, Poland, Portugal, Sweden, and Great Britain, thus countries located on the routes of the sea coast that for centuries were very important
for the development of Europe. The Programme commenced in September 2006
and ended in August 2009. The Polish Maritime Museum in Gdansk represented
Poland in the project.
The essential aim of MACHU project was to make the information on
cultural heritage underwater available to the academia, strategy creators, and
a wide public. It was possible thanks to creation, on a basis of Geographic
Information System (GIS), of a Decision Support System that operates as
a database used in research and an Internet tool which allows broader access to
resources of data on subaqueous heritage. Special benefits for the academia consist in improvement of data and information exchange which will help promoting research connections between particular countries. On a wider European
base the information on the condition of sites located at the sea bottom and on
development of the research project will become more available to the academia.
Thanks to this it will be possible to avoid copying in the field of research and
management methods.
Devastation of underwater sites in large part is invisible to a wide public,
thus gaining support for implementation of legal remedies is difficult. It is assumed that if the information on the sites is made available to wider groups, the
society will better understand the need for protection of the sites and it will be
easier to promote involvement for support of this protection. Additionally the
fact that representatives of many countries are involved in this matter will be
adequately promoting higher mobility of both information and researchers who
deal with common subaqueous cultural heritage. Due to these reasons the project
Research on wood submerged in the sea
103
is a significant contribution to cultural dialog and mutual knowledge about
culture and history of the partner countries.
In the framework of MACHU project GIS application and archaeological
and historical information from sites and locations are set against information
concerning natural environment (including geophysical, geochemical data on
sedimentation and oceanographic data) and against threats to the sites that may
occur in the short-term (e.g. erosion, works connected with infrastructure
construction, mining, and fishery) and in the long-term (e.g. stronger erosion due
to climate change and deterioration of chemical composition).
A special emphasis was put on physical control of creation and management
of sites, including development of erosion and sedimentation models. These
models will be developed on a regional (through manipulation of data inside GIS
system) and local scale as well.
It was especially stressed that final Internet-based GIS application becomes
a basic tool for culture professionals from all over Europe to manage the underwater sites effectively. This part of the project should be continued in the future
in particular countries as well as on the ground of international co-operation. The
goal should be development of a Decision Support System that will integrate
knowledge based on ongoing processes with information on legal status and
management of a site, as well as potential impact of human on any site or environment (e.g. from local or regional perspective).
The Polish Maritime Museum in co-operation with the Polish Geological
Institute – Marine Geology Branch, which was a subcontractor of the Polish
Maritime Museum, carried out the following tasks in the project:
− collection, compilation and processing of geological and bathymetric data in
GIS format,
− collection of data on investment works (deepening, port expansion, fishery,
beach reclamation, etc.) and converting it into GIS format,
− palynological analysis with the view of reconstructing paleogeographic areas
covered by research,
− interpretation and visualisation of collected geological, bathymetric and
archaeological data.
Research was conducted in three areas: “Ustka”, “Puck”, and “Gdansk”.
Marine field works encompassed geophysical research and collection of
cores with a vibrocorer. Geophysical research aimed at determination of the
features of the bottom and definition of its shallow geological structure. To this
end bathymetric measurements were conducted, sonar picture was taken, and
seismoacoustic profiling was done.
The interpretation of all the results obtained within the subject leads to
a conclusion that researched areas are interesting fields for archaeological
research.
104
The test area “Ustka” was at the shore of the Ancylus Lake, but it was not
cover by the lake. It developed on the land until around 8200 years BP, when it
was flooded by the Littorina Sea. For sure during this process part of older
sediments of land habitats was destroyed. However, due to specific shape and
development of the shoreline the extent of erosion processes accompanying the
transgression was limited and relicts of land habitats’ sediments were preserved
on this area. The known extent of the early Holocene lake reservoirs allows
precise location of future areas where artefacts from the Paleolithic will be
searched for [Uścinowicz 2003, Miotk-Szpiganowicz et. al. 2009].
Puck was located in the area, which in the Middle Ages belonged to the family of Sobiesławicowie, the deputies of the king Bolesław Krzywousty, sent to
the Gdańsk Pomerania after 1116, in order to strengthen his connections with
Poland. Location of the oldest land properties of Sobiesławicowie is based on
the foundation privilege of the Oliwa Monestary. It is the earliest document
written on the area of the Gdańsk Pomerania, known today, now available only
in a form of a forgery from the forties of the XIII century, but based on the
unpreserved original from ∼1186 [Śliwiński 1998].
The archaeological site was discovered in 1977 by amateur scuba divers.
During preliminary excavation in Puck Lagoon a massive system of timber
structures, fascine and stone as well as earthen embankments were found
scattered over an area of more than 12 hectares.
Looking at the chronological arrangement of site, slowly created on the basis
of obtained dendrochronological analysis result, and supplemented with a radiological research, it should be assumed that the northern strip of the construction
is a continuation of the quay strengthening construction, the root of harbour pier.
It is probably the earliest stage in the development of the Puck harbour.
Taking into both the layout of the construction working as defences of the
swampy alluvial estuary of the Płutnica river parallel in relation to the present
coastline as well as chronological layout of the stand which gets younger and
younger the closer you get to the present shore it may be assumed that the
changes of location of the port construction were influenced by quite quick
deepening of the basin and movement of Medieval shore line. During the inventory of the archaeological structures visible on the surface the archaeologists
came to the conclusion that its unusual size may be connected with the movement of the coastline of the Puck Bay in the early Medieval times and gradual
flooding of the coastal parts which in turn forced the necessity of building new
coastal defences as well as the location changes of the fishing and boat building
hinterland.
The test area “Puck” is, together with all the Zalew Pucki (the Puck Lagoon),
the most prospective area for archaeological research in the Polish coastal zone
105
of the Baltic Sea. It is known that in the early Holocene this area was covered
with peat bogs, wetland and lake reservoirs. The first inflows of sea water,
recorded only in the deepest part of the Zalew Pucki (Puck Lagoon), i.e. in the
Jama Kuźnicka, occurred no earlier than 7200–7000 years BP, when the water
level in the Gulf of Gdansk was approx imately 13–12 metres lower than it is
today [Uścinowicz 2003]. The sea inflows causing gradual conversion of the
whole area of the contemporary Lagoon into a brackish water lagoon did not
occur before 5500 years ago [Uścinowicz, Miotk-Szpiganowicz 2003]. That
lagoon was protected from the sea inflows by the strengthening sandy barrier
of the contemporary Hel Peninsula on the one side and the Rewę Mew (Seagull
Reef) on the other, and this had a bearing on the low intensity of erosion
processes. Low thickness of the lagoon sediments is the reason why the contemporary bottom of the Zalew Pucki (Puck Lagoon), is at the same time the
Paleolithic surface from before ca. 5500 years. Taking this into consideration
archaeological artefacts from the Paleolithic to the Neolithic inclusive may be
found at the surface of the Zalew Pucki (Puck Lagoon) bottom, especially on the
areas shallower than around 3 m [Miotk-Szpiganowicz et al. 2009].
The test area “Gdansk” is located within the underwater part of the mouth
cone of Wisła Martwa (the Dead Vistula).
Gdansk was founded in 980 as a defensive port and a stronghold with watch
towers. Surrounded by the waters of the Vistula and the Motlawa and the
swamps, Gdansk was 4 km away from the sea. Such a localization of the town
let the inhabitants organize an effective defence against the attacks from land
and sea. The mouth of the Vistula formed the sea-land junction of the Royal
Way: Gdansk – Krakow – Hungary and the Merchants' Way.
In the thirteen century about 800 meters of piers 3–6 m wide belonged to the
port in Gdansk. In the seventeenth century the piers were 2,500 m long. The port
was equipped with the craft and trade facilities, but the most significant feature,
which made Gdansk the most important city at that time, was that it was both
a sea and a river port. According to different sources, from 1555 to 1574 some
1,200 to 1,900 river boats entered the port.
The most serious problem in the port of Gdansk was to keep the homestead,
the entrance to the port, and the canals deep enough for the ships to sail.
Changes of depth was one of the reasons of sinking many ships around the old
enter to the Gdańsk harbor.
In the seventeenth century the authorities of Gdansk tried to solve the problem definitely by digging the so called New Canal, which was 2 meters deep,
600 meters long, and 14–37 meters wide. In 1840 the hydro-graphic changes in
the water gap of the Vistula River in the region of Gorki Wschodnie solved the
problem of sliming the port of Gdansk [Pomian et.al. 2000, Pomian 2004].
106
The area of the estuary cone (delta front) is an unusually dynamic environment strongly dominated by sediment accumulation processes, but they are not
constant in time and space. Migration of supply beds, floods, and storms are the
reason why the internal structure of sediment layers forming the delta front is
much diverse and heterogeneous.
The contemporary shoreline of the Wisła Martwa mouth cone is located
from 2 to 3 km from the cone’s base, i.e. from the shoreline from before
2000–3000 years, when the Vistula River created its estuary to the sea in the
region of Gdansk. For over 2000 years the cone had been expanding to reach its
maximum extent in the first half of the 19th century. Most probably the rate of
the cone’s expansion was not even for it was not the only estuary of the Vistula
River to the sea. In all likelihood there were periods of the cone’s accelerated
expansion as well as stagnation. The analysis of historical maps confirms these
assumptions [Miotk-Szpiganowicz et al. 2009].
Within the project other research was conducted as well and it concerned
hydrodynamics of the Gulf of Gdansk [Robakiewicz 2009], analysis of sea oscillation in terms of wreck locating [Swerpel 2009], and changes in oak wood
submersed in the sea [Wróblewska et al. 2009].
Test on submerged oak wood
Introduction and test methods
Due to its high density and high tannin content oak heartwood has been quite
commonly used under conditions of much exposure to atmospheric and biological factors [class 4 acc. to PN-EN 335-2 and PN-EN 350-2]. The oak wood
products that are archaeological objects buried in the ground or submerged in
fresh or salt water (in the sea) demonstrate various stages of degradation by biological and physical factors. The environmental conditions at the sea bottom
simultaneously preserve and destroy an object located there. Among other things
the following factors are of importance: temperature and movement of water, its
salinity and chemical composition, organism that are found in this environment
and the depth to which the object is buried in the bottom sediments. Despite
much research that has been conducted already, the knowledge about the rate
and extent of changes occurring in oak wood as a result of its laying at the sea
bottom is still incomplete, inter alia due to high diversity of environmental conditions characteristic of bottoms of different seas [Archaeological Wood... 1990;
Björdal, Nilsson 2008]. For the first time in Poland in the framework of
MACHU project broader research was undertaken with the aim to determine
possibility of using test samples of oak wood as bioindicators of changes
occurring in wood in sea environment – monitoring. Determinations and evaluation covered such areas as changes of physical and chemical properties, mass
107
loss, and susceptibility of submersed wood to decay caused by Basidiomycetes,
after wood samples were taken out of the sea. Test samples of oak wood
(250×10×10 mm) were placed in the coastal waters of the Baltic Sea in the area
of medieval port in Puck and in the waters of the Gulf of Gdansk at the longitude
of Orłowo (near the wreck of Swedish warship Solen). The samples were subjected to the following tests:
a) organoleptic evaluation (appearance, surface condition and colour, and condition of edges), presence of microorganisms,
b) mass loss, wood density [PN-77/D-04 101], moisture content in wood after
taking out of the sea and equilibrium moisture content in wood [PN-EN
13 183-1] under standard climate conditions 20°C/65%,
c) bending strength and modulus of elasticity at three-point bending [PN-77/D04 103 and PN-77/D-04 117],
d) content of major and minor constituents of wood by methods described by
Prosiński [1984]:
− moisture content by oven-dry method,
− content of extraction substances by Soxhlet method (ethanol:benzene
1:1),
− content of substances soluble in cold and hot water,
− content of substances soluble in 1-percent NaOH,
− cellulose content by Seifert method,
− Klason lignin content by Tappi method,
− content of pentosans by Tollens method,
− ash content (in the temperature of 600°C),
− pH determination (Gray method),
e) resistance of wood to Basidiomycetes [PN-EN 113] using pure culture of
Trametes versicolor (Linnaeus ex Fries) Pilat (CTB 863 A) fungus causing
white rot of wood.
The properties of samples taken out of the sea after 6 and 12 months were
compared with the properties of control (identical-twin) samples of oak wood
that were not submersed.
Test results and conclusions
The results of the tests led to a conclusion that submersion of oak wood in the
waters of the Baltic Sea for a period from 0.5 to 1 year may have the following
effects in the 10 mm-thick area of wood:
− decrease in bending strength (by ~20–40%) and modulus of elasticity of
wood (by ~10–36%) connected with a loss of wood mass due to submersion
of wood in the sea ( 2.8–14.1%),
108
−
−
−
−
−
increase in moisture content to approximately 120%,
decrease in wood density (by ~5 – 10%),
much (20 – 30 times) increase in oak wood susceptibility to decay caused by
Basidiomycetes – white rot fungi (Trametes versicolor),
clear change of wood surface colour (from light to dark) and structure,
increase in the content of mineral substances (ash), increase in pH value, and
decrease in the content of substances soluble in water, ethanol-benzene mixture and 1-percent NaOH solution (table 1).
Table 1. Changes of chemical composition in oak wood submersed in the test areas
in Puck and Orłowo
Tabela 1. Zmiany składu chemicznego w drewnie dębu zatopionym na stanowisku w Pucku
i Orłowie
Oak wood samples
Próbki drewna dębu
Tested property
Badana cecha
control
(not submersed)
kontrola
(nie zatapiane)
Substances soluble in:
Etanol-benzen
Water
Woda
1% NaOH
Ash content
Zawartość popiołu
pH
submersed for 1 year
Orłowo
zatopione na 1 rok
Puck
zatopione na 1 rok
Orłowo
% of oven-dry wood
Substancje rozpuszczalne
w:
Ethanol-benzene
submersed for 1 year
Puck
% absolutnie suchego drewna
3.3
1.2
1.5
10.5
5.8
7.1
23.5
20.4
22.3
0.2
1.2
1.5
4.0
6.3
6.2
Already after a year the samples in the area of Orłowo were settled by large
numbers of common in the Baltic Sea crustacean Balanus improvisus and by not
so large numbers of Baltic mussel Mytilus trossulus (fig. 1).
Hitherto obtained data indicates that visible and measurable changes in oak
wood submersed in the sea occur already in the first year from submersion,
therefore observation of them may serve protection and monitoring of underwater archaeological objects.
109
Fig. 1. The sample of oak wood taken out from the Baltic sea after 12th months
from submersion in water – visible Baltic mussel (Mytilus trossulus)
Rys. 1. Próbka drewna dębu wyjęta z Morza Bałtyckiego po 12-tu miesiącach od zanurzenia w wodzie – widoczny omułek bałtycki (Mytilus trossulus)
Determinations are to be continued, but data, that has been gained already,
suggests that changes in wood occur fast and with great intensity, and the
applied samples allow quick evaluation of occurring changes.
References
Archaeological Wood Properties, Chemistry, and Preservation [1990]: Eds. R.M. Rowell,
R.J. Barbour. American Chemical Society, Washington, DC
Björdal C.G., Nilsson T. [2008]: Reburial of shipwrecks in marine sediments: a long-term
study on wood degradation. J. of Archaeological Science [35]: 862–872
MACHU Report Nr 1 [2008]: A Maritime Research Project Funded by the European
Union. Culture 2000
110
MACHU Report Nr 2 [2009]: A Maritime Research Project Funded by the European
Union. Culture 2000
Miotk-Szpiganowicz G., Uścinowicz Sz., Przeździecki P., Jegliński W. [2009]: Reconstruction of the paleo-land scapes of the southern Balic. In: MACHU Report Nr 2,
80–84
Pomian I. [2004]: Changes to the coastline in the neighbourhood of the Medieval port in
Puck in the light of the research done so far by the Central Maritime Museum in Gdansk.
In: Uścinowicz Sz., Anagniotis B., Kramarska R., Zachowicz J.(ed.), Proceedings of
Conference Rapid Transgressions Into Semi-enclosed Basins. 2003, Polish Geological
Institute Special Papers, vol. 11, 31– 36
Pomian I. [2009]: Investigations at the three MACHU test areas in Poland. MACHU Report
No 2: p.14–15
Pomian I., Latałowa M., Łęczyński L., Badura M. [2000]: Preliminary results and interdisciplinary project of palaeoenvironmental reconstruction at the site of the medieval
harbour in Puck (North Poland). In: J. Litwin (ed.), Down the river to the sea. Proceedings of the Eighth International Symposium on Boat and Ship Archaeology, Gdańsk
1997. Gdańsk, 27–36
Prosiński S. [1984]: Chemia drewna. PWRiL, Warszawa
Robakiewicz M. [2009]: Zarys hydrodynamiki Zatoki Gdańskiej. Instytut Budownictwa
Wodnego Polskiej Akademii Nauk
Swerpel B. [2009]: Analiza falowania morskiego, w oparciu o dostępne dane pomiarowe
i wyniki modelowania, jako czynnika lokalizacji skansenu wraków. Instytut Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk
Śliwiński B. [1998]: Dzieje Pucka w świetle najstarszych źródeł pisanych (do 1308 r.). In:
Grot A. (ed.), Historia Pucka, Marpress, Gdańsk, 55–68
Uścinowicz Sz. [2003]. Relative sea level changes, glacio-isostatic rebound and shoreline
displacement in the Southern Baltic. Polish Geological Institute Special Papers Vol. 10:
1–79
Uścinowicz Sz., Miotk-Szpiganowicz G. [2003]: Holocene Shoreline Migration in the Puck
Lagoon (Southern Baltic Sea) based on the Rzucewo Headland case study. Landform
Analysis Vol.4: 81–95
Wróblewska H., Fojutowski A., Noskowiak A., Komorowicz M., Kropacz A. [2009]:
Ocena zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych w próbkach dębu umieszczonych
w obrębie dwóch podwodnych stanowisk badawczych w wodach przybrzeżnych Morza
Bałtyckiego. Instytut Technologii Drewna, Poznań
Standards
PN-EN 113: 2000/A1:2004 Środki ochrony drewna – Metoda badania do oznaczania
skuteczności zabezpieczania przeciwko podstawczakom rozkładającym drewno – Oznaczanie wartości grzybobójczych
PN-EN 335-2:2007 Trwałość drewna i materiałów drewnopochodnych – Definicja klas użytkowania – Część 2: Zastosowanie do drewna litego
PN-EN 350-2:2000 Trwałość drewna i materiałów drewnopochodnych - Naturalna trwałość
drewna litego – Wytyczne dotyczące naturalnej trwałości i podatności na nasycanie
wybranych gatunków drewna mających znaczenie w Europie
PN-EN 13 183-1:2004 Wilgotność sztuki tarcicy – Część 1: Oznaczanie wilgotności metodą
suszarkowo-wagową
111
PN-77/D-04 101 Drewno – Oznaczanie gęstości
PN-77/D-04 103 Drewno – Oznaczanie wytrzymałości na zginanie statyczne
PN-77/D-04 117 Fizyczne i mechaniczne własności drewna – Oznaczanie współczynnika
sprężystości przy zginaniu statycznym
BADANIA DREWNA ZATOPIONEGO W MORZU
Streszczenie
Centralne Muzeum Morskie w Gdańsku uczestniczyło w projekcie UE MACHU zmierzającym do stworzenia systemu lokalizacji, udostępnienia i upowszechnienia informacji
o europejskim podwodnym morskim dziedzictwie kulturowym. W projekcie współpracowało 7 krajów UE. Instytut Technologii Drewna wziął udział w pracach w zakresie
badań trwałości w warunkach zatopienia w morzu małych próbek drewna dębu traktowanych jako bioindykator zmian. Przedstawiono zarys badań w projekcie.
Słowa kluczowe: badania morskie, dziedzictwo kulturowe, drewno, dąb, bioindykator
Jacek KROMULSKI, Tadeusz PAWLOWSKI, Krzysztof ZEMBROWSKI 1
IDENTIFICATION OF ODS AND DYNAMICS
CHARACTERISTICS OF CHAIN SAWS
This article presents methods of identification of dynamics characteristics of chain
saws. These methods can be successfully used in the process of identification of
resonant frequencies and visualisation of ODS of chain saws. Vibration measurements were done using Laser Doppler Vibrometry. Some examples of identification of dynamics characteristics of chain saws and their operational deflection
shapes are presented below.
Keywords: chain saw, vibration, deflection, ODS
Introduction
Operational Deflection Shapes (ODS) are vibration patterns of a structure when it
is forced to vibrate under particular stationary operating conditions. ODS can be
regarded as visualisation of dynamic behaviour of the structure at a given frequency. An animated display of Operational Deflection Shapes (ODS) can
help to solve specific vibration problems of the structure. On-site observation
of ODS helps to define modifications that can be made to control vibration and
reduce noise [Richardson 1997; Swarz, Richardson 1999].
Noise emitted by operating machine during its work cycle depends on the
vibration pattern of the surface of the machine. If some characteristic frequencies can be distinguished in the spectrum of mechanical vibrations then it is
possible to determine vibration patterns. Often there is a correlation between
the operational deflection shapes of selected details of design and spatial
distribution of the sound intensity vector measured in the vicinity of the design.
Jacek KROMULSKI, Industrial Institute of Agricultural Engineering, Poznan, Poland
Tadeusz PAWLOWSKI, Industrial Institute of Agricultural Engineering, Poznan, Poland
Krzysztof ZEMBROWSKI, Industrial Institute of Agricultural Engineering, Poznan,
Poland
114
Jacek KROMULSKI, Tadeusz PAWLOWSKI, Krzysztof ZEMBROWSKI
Measurements of the operating deflection of chain saws
The test of a chain saw blade was performed at a specially prepared measurement station (fig. 1.). The station consisted of a frame construction made of
welded angles down to which the body of a combustion sawing machine was
screwed. A specially moulded roller replacing the crankshaft of the sawing machine was driven by a transmission belt of a 3-phase engine with the power of
0.95 kW controlled by pDrive MX basis 22/30 converter. At the other end of the
roller a drive wheel was fixed which set the chain saw in revolution on the guide.
During the machine operation a stable rotational speed of about 9400 rotation/min was assured, i.e. a rotational speed close to real operating conditions of
a chain sawing machine.
Fig. 1. Measurements of the operational deflection shapes (ODS) in marked
points of the guide bar. On the right side there is a visible reflection of the laser
beam and on the bottom edge of the guide bar there is a visible oily wave which is
a result of the airflow created by the working chain
Rys. 1. Pomiary ODS w oznakowanych punktach prowadnicy. Po prawej stronie widać
odbicie wiązki laserowej, a na dolnej krawędzi prowadnicy widać tłustą falę powstałą na
skutek działania strumienia powietrza wytwarzanego przez pracujący łańcuch
During the test the load parameters of the engine of the electric station were
recorded during cycle controlled operation of the cutting system of the sawing
machine. For comparative purposes the level of vibrations and the noise were
recorded at the station during lubrication with various oils.
Identification of ODS and dynamics characteristics of chain saws
115
Measurement of operational deflection shapes was done using two sensors of
mechanical vibrations. The first one was located at the reference point (position
of this sensor did not change during measurements). The second sensor was
being moved between selected (nodal) points of the chain saw blade. The geometrical model of the chain saw blade with measurement points marked on it is
presented in fig. 2. Vibration measurements at the measurement points on the
chain saw blade were obtained using Laser Doppler Vibrometry. It enabled
a non-contact measurement of vibrations and minimised measuring errors made
due to the change of edge conditions of the system (e.g. adding extra mass) [Laser
Vibrometr OFV 2000].
Fig. 2. A schematic view of the location of the measurement points on the chain
saw blade
Rys. 2. Schematyczne przedstawienie umiejscowienia punktów pomiarowych na ostrzu
piły mechanicznej
As a result individual and relative (cross-) spectra of the accelerations as well
as the functions of spectral transmissibility Tij (ω) were obtained.
Matrix Tij (ω) is the complex transmissibility function of acceleration/acceleration type. The latter can be formulated as:
T(ω)ij=
∑ H(ω )ik Fk
X(ω )i
= k
X (ω ) j
∑ H(ω ) jk Fk
(1)
k
where “j” is the index of the fixed point (reference location), whereas “i” refers to
the movable test-point monitoring the structure.
116
Tij (ω) quantity is the ratio between the Fourier spectra of a test degree of
freedom (DOF) and the reference DOF, arising as a result of forces Fk occurring
during operational cycle of a chain saw. The coherence of transmissibility
measurements must be very high in the frequency range of interest to avoid gross
errors in the measurement.
Determination of the operational deflection shapes is based on measuring the
dominant (peak) components of vibration acceleration spectra or spectral transmissibilities (fig. 3.).
Częstotliwość [Hz]
Fig. 3. An example of the power spectrum of mechanic vibration acceleration
determined in the point of the guide clamping to the station
Rys. 3. Przykład spektrum siły przyspieszenia wibracji mechanicznej określonej w punkcie
umocowania prowadnicy do stanowiska
The relative magnitudes and phase of ODS of the chain saw guide bar are
similar, whereas absolute values of ODS are different and depend on physical
parameters of oils. Geometric model of the chain saw guide bar (without deformation) is shown in fig. 4.
117
Fig. 4. Geometric model of the chain saw guide bar (without deformation)
Rys. 4. Geometryczny model prowadnicy piły łańcuchowej (bez deformacji)
Table 1. An example of the relative magnitudes and phase of ODS (DOF – degree of
freedom) (fig. 5–7)
Tabela 1. Przykład względnych wielkości oraz fazy ODS (DOF – stopień swobody) (Rys. 5–7)
Relative magnitudes and phase of ODS
Względne wielkości oraz faza ODS
Frequency 27.7 Hz
Frequency 55.0 Hz
Frequency 82.7 Hz
Częstotliwość 27,7 Hz
Częstotliwość 55,70Hz
Częstotliwość 82,7 Hz
Faza względnej amplitudy DOF
118
Fig. 5. An example of Operating Deflection Shape of the chain saw guide bar at
27.7 Hz
Rys. 5. Przykład ODS dla prowadnicy piły łańcuchowej przy częstotliwości 27,7 Hz
119
55 Hz
Rys. 6. Przykład ODS dla prowadnicy piły łańcuchowej przy częstotliwości 55 Hz
120
82.7 Hz
Rys. 7. Przykład ODS dla prowadnicy piły łańcuchowej przy częstotliwości 82,7 Hz
121
Identification of chain saw modal parameter
Modal parameter identification is a procedure used to determine dynamic properties of vibrating systems on the basis of experimental data such as damping,
frequencies, mode shapes, and modal participation factors, which are referred to
as modal parameters.
Modal analysis is based on the fact that the vibration response of a linear
dynamic system can be expressed as a linear combination of a set of simple harmonic motions called the natural modes of vibration [Uhl, Lisowski 1999].
Fig. 8 shows the layout of the measurement setup used in identifying
a chain saw by the method of experimental modal analysis (the frequency
response function (FRF) method). The chain saw at the station for experimental
model identification is show in fig. 9.
The artificial excitation forces are applied at a subset of locations and the
corresponding excitation force signals (the “inputs”) as well as vibration
responses at all locations (the “outputs”) are measured. The modal parameters are
extracted from this data using the system identification methods.
From the FRF the modal parameters, i.e. modal frequencies, modal damping,
and the mode shape (modal matrix), are obtained. The modal parameters allow
determination of FRF matrix between all points (each point) of the structure.
Test structure
(chain saw)
Struktura testowa
(pi³a ³añcuchowa)
Laser vibrometer
Wibrometr laserowy
Force transducer
8201+ preamplifier
Przetwornik mocy
8201 + wzmacniacz wstêpny
Power
Amplifier
2708
Wzmacniacz
mocy
2708
Vibration
Exciter
4802
+ Head
Wzbudnica
wibracji
4802
+ G³owica
Random signal
Losowy sygna³
Dual-chanel
Analyzer
2032
Analizator
dwukana³owy
2032
Computer
Modal
software
Oprogramowanie
komputerowe
do obliczeñ
modalnych
Fig. 8. Layout of the instrumentation used in experimental modal analysis of
a structure design
Rys. 8. Rozmieszczenie przyrządów wykorzystanych do eksperymentalnej analizy modalnej
wzoru struktury
122
Fig. 9. The chain saw at the station for experimental modal identification
Rys. 9. Piła łańcuchowa na stanowisku do eksperymentalnej identyfikacji modalnej
Częstotliwość [Hz]
Fig. 10. Experimental modal analysis of the chain saw – Multivariate Mode Indication Function
Rys. 10. Eksperymentalna analiza modalna piły łańcuchowej – Multivariate Mode Indication Function
123
Fig. 11. An example of the modal shape of the chain saw guide bar at 27.5 Hz
Rys. 11. Przykład modalnego kształtu prowadnicy piły łańcuchowej przy częstotliwości
27,5 Hz
124
Multivariate Mode Indication Function (MMIF) is used for identification of
modal frequencies. The mode indicator functions seek to combine data from
several input/output pairs of a MIMO transfer function into a single response that
gives the user a visual indication of pole locations. For structures that are mostly
elastic (with low damping) resonances are sharp and have properties similar to
those of isolated modes. Thus the MMIF drops to zero (fig. 10).
The identified modal frequencies from MMIF are 9.5, 27.5, and 39.0 Hz. The
second modal frequency is identical with the operational frequency of 27.5 Hz. An
example of modal shape of the chain saw guide bar at the frequency od 27.5 Hz is
shown in fig. 11.
Conclusions
The noise level of most chain saws used in regular forest works exceeds 100
dBA. The operator is exposed to this noise level for 2 to 5 hours daily. In Sweden
around 30% of chain saw operators have serious hearing impairment (according to the data of the International Occupational Safety and Health Information
Centre). Chain saws produce high levels of vibration which can cause permanent
damage to hands and arms. “White finger” disease has been a major problem for
some forest workers operating chain saws.
In co-operation with the Chair of Forestry Engineering at the Poznań University of Life Sciences, the Industrial Institute of Agricultural Engineering in
Poznan carried out pioneer research on a few mineral and biodegradable oils with
respect to the efficiency of machine cutting system lubrication, and vibration and
noise generated in operational condition.
Thanks to more effective measurement, analysis, and using the ODS and
modal techniques, it is possible to efficiently identify the root causes of noise and
vibration.
References
Laser Vibrometr OFV: User Manual, [2000], Polytec GmbH (http://www.polvtec.com)
Richardson M., [1997]: Is it a Mode Shape, or an Operating Deflection Shape?, Sound
& Vibration Magazine 30th Anniversary Issue
Richardson M. [1997]: is it a Mode Shape or an Operating Deflection Shape? Sound &
Vibration Magazine 30th Anniversary Issue
Schwarz B., Richardson M. [1999]; Introduction to Operating Deflection Shapes, CSI
Reliability Week, Orlando, USA
Uhl T., Lisowski W. [1999]: Eksploatacyjna analiza modalna i jej zastosowania, AGH,
Kraków
125
IDENTYFIKACJA ODS ORAZ CHARAKTERYSTYKA
DYNAMICZNA PILAREK ŁAŃCUCHOWYCH
Streszczenie
Przedstawiono wyniki badań charakterystyki dynamicznej pilarki łańcuchowej. Pomiarów wibracji dokonano z wykorzystaniem techniki laserowej. Przeprowadzono analizę
modalną układu. Zaprezentowano przykłady ODS (Operational Deflection Shapers)
prowadnicy pilarki łańcuchowej.
Słowa kluczowe: ODS, pilarka łańcuchowa, wibracje, odkształcenie
KOMUNIKATY – ANNOUNCEMENTS
Władysław STRYKOWSKI1
WYRÓŻNIENIA W DZIEDZINIE DRZEWNICTWA
Profesorowie: Juliusz Pernak i Jerzy Ważny, zostali wyróżnieni przez Fundację
Nauki Polskiej i Prezesa Rady Ministrów RP za wybitny dorobek naukowy.
Słowa kluczowe: kadra naukowa, wyróżnienie
Wyróżnieniem „Mistrz”, przyznawanym przez Fundację Nauki Polskiej, został
uhonorowany prof. dr hab. Juliusz Pernak, pracownik Wydziału Chemicznej
Technologii Politechniki Poznańskiej oraz Instytutu Technologii Drewna w Poznaniu. O randze wyróżnienia świadczy fakt, że wnioski kandydatów były oceniane przez 150 naukowców spoza Polski. Specjalnością naukową Profesora są
związki wielofunkcyjne, ich synteza i aplikacja. Profesor posiada liczący się
dorobek naukowy w zakresie syntezy i aplikacji czwartorzędowych soli amoniowych, a ostatnio z dziedziny cieczy jonowych. Pierwsze badania w skali
światowej prowadzone przez Profesora nad wykorzystaniem cieczy jonowych
w ochronie drewna powstały w Instytucie Technologii Drewna. Profesor jest
autorem wielu prac opublikowanych w czasopismach z tzw. listy filadelfijskiej,
które były cytowane ponad 1400 razy. Jednocześnie też ma rozwinięte liczne
kontakty zagraniczne z wiodącymi ośrodkami naukowymi na świecie. Jednym
z efektów tego był dwuletni staż naukowy Profesora na University of Florida,
Departament Chemistry. Ta aktywna działalność naukowa dopełniana jest
działalnością dydaktyczną. Profesor wypromował 16 doktorów i ponad stu magistrów. Rezultatem ścisłej współpracy z przemysłem jest ponad 30 patentów,
w tym również patent światowy i wiele wdrożeń. Juliusz Pernak jest wysoko
Władysław STRYKOWSKI, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
128
Władysław STRYKOWSKI
cenionym specjalistą, czego wyrazem było powołanie go w skład Rady Ekspertów Koncernu Ciech SA.
Wielopłaszczyznowa działalność naukowa, wdrożeniowa i dydaktyczna
prof. dr hab. Jerzego Ważnego znalazła uznanie i została uhonorowana nagrodą
Prezesa Rady Ministrów RP. Została ona wręczona na uroczystym spotkaniu
premiera Donalda Tuska z pracownikami nauki polskiej w dniu 20 stycznia 2010
roku w Warszawie.
Nagroda ta uwieńczyła 60-lecie pracy naukowej Profesora, który od wielu
lat specjalizuje się w zakresie patologii i konserwacji drewna. Przez wiele lat
Profesor pracował w SGGW zdobywając stopnie i tytuły naukowe. W wieku
32 lat został profesorem nadzwyczajnym, co w naszym kraju nieczęsto się spotyka. Od 1993 roku Profesor jest zatrudniony w Instytucie Technologii Drewna,
z którym współpracuje od lat sześćdziesiątych ubiegłego stulecia. Profesor
J. Ważny od 2004 roku jest członkiem rzeczywistym PAN pełniąc jednocześnie
przez 3 kadencje funkcję Przewodniczącego Komitetu Technologii Drewna
PAN. Od wielu lat jest także członkiem International Academy Wood Science,
prestiżowej organizacji o zasięgu światowym.
Dorobek Profesora obejmuje prawie 500 pozycji w tym 100 w czołowych
czasopismach zagranicznych, a liczba cytowań według Science Citation Index
przekracza 200. Znaczące są osiągnięcia Profesora z zakresu unifikacji metod
toksykometrycznych badań biocydów w skali światowej oraz mechanizmów
działania nanobiocydów w konserwacji drewna. W efekcie praktycznych aplikacji rozwiązań opracowanych przez i przy udziale Profesora zaoszczędzono
znaczne ilości deficytowego surowca i uratowano wiele tysięcy obiektów
budowlanych i zabytków dziedzictwa kulturowego. Profesor J. Ważny jest uważany za twórcę ochrony i konserwacji drewna jako interdyscyplinarnej dziedziny
nauki, nieistniejącej wcześniej w Polsce jako samodzielny przedmiot. Ważne
miejsce w działalności zawodowej Profesora zajmuje dydaktyka. Jest on promotorem 11 doktorów, spośród których 5 zostało profesorami. Pełnił także funkcje
dziekana wydziału uczelni, był recenzentem wielu przewodów doktorskich
i habilitacyjnych.
W uznaniu zasług dla rozwoju nauki i techniki ochrony drewna Profesor
otrzymał wiele nagród i wyróżnień, a wśród nich medal ASP im. B. Marconiego
za zasługi w konserwacji zabytków, medal PAN im. Oczapowskiego za wybitny
wkład w rozwój nauk leśnych i nagrodę im. Prof. Danieleckiego za wybitne
osiągnięcia w dziedzinie trwałości i ochrony obiektów budowlanych przed korozją.
Wyróżnienia w dziedzinie drzewnictwa
129
AWARDS IN THE FIELD OF WOOD SCIENCE
Summary
Professors: Juliusz Pernak and Jerzy Ważny were awarded by the Foundation for Polish
Science and the Prime Minister of the Republic of Poland for outstanding scientific
achievements.
Keywords: scientific personnel, award
Grzegorz WIELOCH1
3rd INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE
“WOODWORKING TECHNIQUE” IN ZALESINA
(CROATIA)
On September 2–5 took place 3rd Scientific Conference “Woodworking Technique” in Zaleina (Croatia). The organizer of the conference was Department for
Process Techniques of Zagreb Unversity in cooperation with Department of Wood
Procesing of Czech University of Agriculture in Prague. The leading subject of
the conference was widely treated wood processing. Presentations of papers took
place in two sections: section one – “Woodworking technique” and section two –
“Woodworking processes”.
In the conference participated representatves of the universities and research centres from 6 countries from Central Europe. Poland was reprezented by Technical
Univerity of Poznan, Poznan University of Life Sciences and Wood Technology
Institute in Poznan. Alltogether 37 papers were preented in that number 4 from
Poland.
Keywords: woodworking, tools, dust, production procesess, conference
On September 2–5 2009, took place 3rd Scientific Conference “Woodworking
Technique” (in training centre of Zagreb University) not far from Rijeka. The
organizer of this conference was Department for Process Techniques of Zagreb
University in cooperation with Department of Wood Procesing of Czech University of Agriculture in Prague. The leading subject of the conference was widely
treated wood processing. Presentations of papers took place in two sections:
section one – “Woodworking technique” and section two – “Woodworking processes”.
In the conference participated representatives of the universities and research
centres from 6 countries from Central Europe: Bulgaria – University of Forestry
in Sofia, Czech Republic – Czech University of Life Sciences in Prague, Mendel
University of Agriculture and Forestry in Brno, Croatia – University of Zagreb,
Grzegorz WIELOCH, Poznań University of Life Sciences, Poland
132
Grzegorz WIELOCH
Hungary – University of West Hungary in Sopron, Slovakia – Technical University in Zvolen, Matej Bel University in Banska Bystrica, and Poland. Poland was
represented by Technical University of Poznan, Poznan University of Life Sciences and Wood Technology Institute in Poznan. Altogether 36 papers were
presented in that number 4 from Poland.
In separate sections the following papers were presented:
Section 1 Woodworking technique: 30 papers from which the most interesting
were those describing issues connected with:
− Investigation of dynamic conditions of fix- and industrial vacuum clamping
of machined elements on CNC at differenciated machining speed from
3000 up to 120 000 rpm at four different cutting depths and constant feeding
rate,
− Machining of homogenous beech wood with abrassive water jet and created
kerf in cut material. Special analysis was devoted to surface quality after
cutting as well as the shape of kerf obtained at top and bottom kerf. The
invetigation was held at different feed rate and different directions in relation
to fibres,
− Creation of mathematical models of machine operations, management optimisation in technological processes. The new optimisation method proposal
is based on technical and economic characteristics of production elements,
material flow physical characteristics, production system economic characteristics, and physical and mechanical properties of surface trevelled by
machines. Mathematical methods were confirmed by experimental measurement,
− Paper on sawmilling in the Czech Republic since 1989. The description of
new enterprises triggered a revolution in sawmill diversification. Small sawmills, on the contrary, started to be attractive because they seemed to have
been competitive and had potential,
− Analysis of occupational disease in the wood processing industry in the
period 2000–2009. Analysis, synthesis, and comparison methods were used
for data processing and evaluating of results. Development of occupational
diseases frequency demonstrated an increasing trend in the last year,
− Description of PIC method of risks assessment of five point scale of three
basic parameters – (P) for probability of undesired events, (I) for negative
impact or result of an event, and (C) as an impact of the management system
of safety and health at work on the consequences,
− Safety and health protection at work as regards using woodworking machines: band saw, frame saws, and circular saw. The characteristics of basic
rules, which must be implemented regarding tool, machine and operator to
eliminate risk,
− The automated installation for conditioning of dried sawn materials. The
analisis of technical, technological and economic reults,
3rd International Scientific Conference “Woodworking Technique” in Zalesina (Croatia)
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
133
Investigation of the influence of local reinforcement of contact zones
co-operating surfaces of PUR 555.6 nano connection. Test of pin pulling out
at different loading speeds,
Frozen wood computation and 3D visualisation of the temperature distribution in frozen and non-frozen logs during their thermal treatment of the finitedifference method,
Monitoring of the effect of selected factors on cutting input power in sawing
frozen and non-frozen beech wood on a horizontal band saw,
Methodology for the kinematic and force calculations concerning the elements of the device for vertical shifting of the circular saw as a part of the
device for longitudinal sawing of horizontal band saw,
Research in the field of high-speed milling of wood – a new approach to
evaluate the quality of machined wood surface by means of contactless scanning of wood surface by thopografic method,
Questions of dust creation as a result of machining:
− Results of granulometric analysis using the granularity of sawdust
described by shares and shapes of fractions. Suitable for the production of
sintered materials and homogenized fuel in the form of briquettes and
pallets,
− Granular analysis of dust particles obtained from profiling and sanding
processes of medium density fibre boards on four-side moulders,
− Dustiness at cutting of agglomerated materials,
− New design and new tool constructions facilitating extraction of chips
produced during machining,
Producing and investigating elements of finger jointed glued laminated locust
timber,
Analysis of behaviour of tensions in wood during embossing,
Knots and their influence on the quality of wood in the bending method of
grading,
Investigation of cutting process of poplar and pine logs with wide band saw
blades with part-set and swage set teeth,
Proper utilisation of tools and units for CNC machining centres,
Compressed air consumption by the band saw equipped with strain guides,
Machining properties of thermally modified beech wood in comparison with
steamed beech wood,
Influence of the method of milling on the geometry of fibrous chips and
bending strength of produced particleboards,
Technical efficiency of Czech’s sawmill enterprises based on cross sectional
data,
Vibration analysis for wood processing machine failure detection and prediction.
134
Grzegorz WIELOCH
Section 2 Woodworking processes: papers presented in this section concerned
the following areas:
− Modelling and optimisation of timber logging and transport technologies
regarding ecological criteria,
− Analysis of some basic technical parameters of wood chippers,
− Occupational diseases in the wood processing,
− Definition of individual parameters for forest cutter, which can be used for
increasing accuracy of constructional calculations for working tool.
Problems presented during the conference were questions connected with
new methods of wood machining, new tools` construction, and usage of high
speeds of machining, surface quality after machining, water cutting, the cause of
formation and analysis of dust of machined materials, safety of work and risk
connected with wood machining. There were also papers on modeling and
simulation of production processes and the influence of world recession on wood
industry. Of major interest was the presentation of results of renovation process
in Penkov saw mill with water wheel being technical monument in the Czech
Republic.
3. MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWA
„TECHNIKA OBRÓBKI DREWNA” W ZALESINIE
(CHORWACJA)
Streszczenie
W dniach 2–5 września 2009 roku odbyła się w Zaleinie (Chorwacja) 3. Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Woodworking technique”. Organizatorem konferencji była
Katedra Technik Wytwarzania (Department for Process Techniques) Uniwersytetu
w Zagrzebiu razem z Katedrą Obróbki Drewna (Department of Wood Procesing) Czeskiego Uniwersytetu Rolniczego w Pradze. Wiodącym tematem konferencji była szeroko
pojęta obróbka drewna. Obrady odbywały się w dwóch sekcjach: pierwszej – poświęconej technice obróbki drewna i drugiej – dotyczącej procesów obróbczych. W konferencji
uczestniczyli przedstawiciele uniwersytetów i instytutów naukowych 6 krajów Europy
Środkowej, w tym z Polski (z ITD, Politechniki Poznańskiej i Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu). Ogółem zaprezentowano 37 referatów, w tym 4 z Polski.
Słowa kluczowe: obróbka drewna, narzędzia, zapylenie, proces produkcyjny, konferencja
Małgorzata WALKOWIAK, Wojciech CICHY1
RECYKLING I WYKORZYSTANIE DREWNA
POUŻYTKOWEGO I ODPADÓW DRZEWNYCH
W dniu 25 marca 2010 roku w Instytucie Technologii Drewna w Poznaniu odbyły
się warsztaty pt. „Recykling i wykorzystanie drewna poużytkowego i odpadów
drzewnych”. W warsztatach wzięli udział eksperci z Polski, Niemiec, Słowacji
i Francji. W trakcie dyskusji poruszano problemy związane z odzyskiem, sortowaniem i zagospodarowaniem drewna poużytkowego. Wykłady były prowadzone
w języku angielskim.
Słowa kluczowe: drewno poużytkowe, odpady drzewne, recykling, płyty drewnopochodne, współpraca naukowo-techniczna
Wskutek światowego rozwoju gospodarczego wzrasta pozyskanie i przerób
drewna. Wynikiem tego jest stałe zmniejszanie się zasobów leśnych i powstawanie coraz większego deficytu drewna przeznaczonego do przemysłowego
przetwarzania. Coraz częściej też inżynierowie z branży drzewnej wykorzystują
odpady powstające przy mechanicznym przerobie drewna. Jednakże zasoby
tych, traktowanych jako produkty uboczne, materiałów są ograniczone. W ostatnim czasie coraz częściej rozpatruje się możliwość wykorzystania odpadów
drzewnych, których źródłem są przedmioty poużytkowe. Możliwości pozyskania
pełnowartościowego surowca drzewnego z tego rodzaju materiałów oraz jego
racjonalne wykorzystanie jest od pewnego czasu przedmiotem zainteresowania
pracowników nauki i przemysłu.
W ten kierunek działań wpisują się wschodnioeuropejsko-niemieckie warsztaty, jakie pod roboczym tytułem „Recykling i wykorzystanie drewna poużytkowego i odpadów drzewnych” odbyły się w dniu 25 marca 2010 roku w Instytucie Technologii Drewna w Poznaniu. Organizatorami warsztatów były: Fraunhofer-Institut für Holzforschung – Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) w BrunszMałgorzata WALKOWIAK, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
Wojciech CICHY, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
136
Małgorzata WALKOWIAK Wojciech CICHY
wiku, w Niemczech oraz Instytut Technologii Drewna (ITD) w Poznaniu.
W Warsztatach wzięli udział eksperci z Polski, Niemiec, Słowacji i Francji.
W trakcie dyskusji poruszano problemy związane z odzyskiem, sortowaniem i
zagospodarowaniem drewna poużytkowego. Materiał ten dotychczas był spalany
w domowych instalacjach grzewczych, bądź deponowany na składowiskach
odpadów.
Uczestników Warsztatów powitali prof. Ewa Ratajczak z ITD oraz dr Dirk
Berthold z WKI.
Wystąpienia uczestników Warsztatów odbywały się w trzech sekcjach:
1. Dostępność drewna poużytkowego,
2. Technologie segregacji/oddzielania zanieczyszczeń,
3. Recykling/ wykorzystanie drewna poużytkowego.
W pierwszym wystąpieniu Ward Vervoort z European Panel Federation poruszył kwestię zróżnicowania ilościowego pod względem wykorzystania drewna
poużytkowego do produkcji płyt wiórowych w Europie w prezentacji pt. „Ilość
i dostępność drewna poużytkowego w Europie”. W kolejnym wystąpieniu pt.:
„Zasoby drewna poużytkowego do produkcji płyt drewnopochodnych w Polsce”
Jarosław Kruk z Pfleiderer Poland przedstawił profil firmy oraz propozycje
wykorzystania drewna poużytkowego do produkcji płyt drewnopochodnych,
łącznie z procesem magazynowania i przygotowania drewna poużytkowego
do dalszych etapów produkcji. W dwóch następnych prezentacjach Wojciecha
Cichego z ITD oraz Andrei Maruskovej z Uniwersytetu Technicznego w Zvoleniu (Słowacja) przedstawiono specyficzną sytuację drewna z recyklingu
w Polsce i na Słowacji. Autorzy zwrócili uwagę na brak stosownych regulacji
prawnych w odniesieniu do odpadów drzewnych.
Druga część spotkania poświęcona była tematyce sortowania i oczyszczania
drewna poużytkowego. Rozpoczęła ją Anna Marciniak z EKOPOZ – Poland
w prezentacji pt. „Aktualne technologie segregacji i oddzielania zanieczyszczeń
z odpadów drzewnych”. Firma od pewnego czasu zajmuje się zbiorem i sortowaniem odpadów drzewnych przeznaczonych do spalania. Dr Ulrich Kohaupt ze
Steinert Elektromagnetbau GmbH (Niemcy) w wystąpieniu „Obróbka drewna
poużytkowego w technologii produkcji płyt wiórowych i MDF” przedstawił
ciekawe rozwiązania technologiczne mające na celu precyzyjne oddzielenie
niepożądanych zanieczyszczeń mechanicznych w trakcie przygotowania odpadów poużytkowych do recyklingu. Peter Meinlschmidt z WKI, w prezentacji
„Nowe nurty w technologii sortowania i separacji zanieczyszczeń z drewna poużytkowego” oraz Antoine Bourely z Pellenc Selective Technologies (Francja)
w prezentacji „Segregacja jakościowa różnych rodzajów drewna poużytkowego
pochodzącego ze składowisk odpadów” omówili sposoby sortowania i wyodrębniania zanieczyszczeń z drewna poużytkowego.
Ostatnia część warsztatów obejmowała podsumowanie działań naukowych
i osiągnięć w dziedzinie badań nad drewnem poużytkowym oraz prognozy na
Recykling i wykorzystanie drewna poużytkowego i odpadów drzewnych
137
kolejne lata. Prezentacje na ten temat wygłosił Romann Glowacki z Glunz AG
(Niemcy) („Recycling drewna poużytkowego: wyzwania i szanse”) oraz
Grzegorz Pajchrowski, Magdalena Komorowicz, Jacek Pawłowski z Instytutu
Technologii Drewna w Poznaniu i dr Dirk Berthold z WKI („Działalność
badawczo-rozwojowa w zakresie recyklingu drewna poużytkowego w Polsce
i Niemczech”). W tym samym duchu było wystąpienie Marisza Mamińskiego
prezentujące osiągnięcia Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie i Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Przemysłu Płyt Drewnopochodnych
w Czarnej Wodzie („Recykling i wykorzystanie drewna poużytkowego i odpadów drzewnych”).
Warsztaty dały podstawę do dyskusji na temat możliwości wykorzystania
drzewnych odpadów poużytkowych i uzupełnienia kurczącej się bazy surowca
leśnego.
Główny nacisk położono na potrzeby surowcowe przemysłu płyt drewnopochodnych (wiórowych i pilśniowych). Zwrócono też uwagę na ogromne zapotrzebowanie zakładów energetycznych na paliwa z biomasy.
Racjonalne wykorzystanie odpadów poużytkowych niesie ze sobą korzyści
ekologiczne, eliminuje zagrożenia wynikające z ich gromadzenia i składowania,
pozwala zastąpić część surowca pochodzenia leśnego.
W porównaniu z innymi krajami Unii Europejskiej, wykorzystanie odpadów
poużytkowych w Polsce, a także na Słowacji jest niewielkie. Po ich uzdatnieniu
(segregacja, oczyszczanie, rozdrabnianie) materiał ten może uzupełnić potencjał
surowca leśnego. Warto zwrócić uwagę na fakt, iż sprawa drewna poużytkowego zarówno w Polsce, jak i na Słowacji wciąż nie jest regulowana odpowiednimi
rozwiązaniami prawnymi, umożliwiającymi szybką i precyzyjną klasyfikację
odpadów drzewnych, jak ma to miejsce w Niemczech (Rozporządzenie „Altholz
Verordnung”).
Warsztaty umocniły przekonanie, iż drewno jest zbyt cennym surowcem,
aby jego odpady bezrozumnie składować na wysypisku lub w niewłaściwy
sposób spalać. Problematyka zagospodarowania odpadów drzewnych, a drewna
poużytkowego w szczególności, jest niezwykle istotna w krajach Unii Europejskiej. W świetle stałego deficytu surowca drzewnego i potrzebie przeciwdziałania niszczeniu środowiska wszelakie działania mające na celu jak najlepsze
zagospodarowanie odpadów drzewnych będą miały w najbliższych latach
znaczenie priorytetowe.
138
Małgorzata WALKOWIAK Wojciech CICHY
RECYKLING AND DISPOSAL OF USED WOOD
AND WOOD RESIDNES
Summary
On 25th March 2010 the Wood Technology Institute in Poznan hosted a workshop
on “Recykling and disposal of used wood and wood residnes”. Experts from Poland,
Germany, Slovakia, and France participated in the workshop. Issues connected with
recovery, sorting, and management of post-consumer wood were discussed. Hitherto this
material was burnt in house heating installations or deposited at landfills. The workshop
strengthened the participants in conviction that the subject of wood waste management,
and especially post-consumer wood management, is extremely important in the EU
countries. Common action for the best possible use of post-consumer wood will be
a priority in the next few years.
Keywords: post-consumer wood waste, recycling, wood-based panels, scientific and technical
co-operation
Jadwiga ZABIELSKA-MATEJUK1
VII SYMPOZJUM „CZWARTORZĘDOWE SOLE
AMONIOWE I OBSZARY ICH ZASTOSOWANIA
W GOSPODARCE”
Przedstawiono program odbywającego się cyklicznie Sympozjum „Czwartorzędowe sole amoniowe i obszary ich zastosowania w gospodarce”. Kolejna
VII Konferencja da możliwość zaprezentowania dokonań pracowników naukowych zajmujących się badaniami czwartorzędowych soli amoniowych z uwzględnieniem cieczy jonowych.
Słowa kluczowe: sympozjum, czwartorzędowe sole amoniowe, badania naukowe,
drzewnictwo
Instytut Technologii Drewna (ITD) w Poznaniu od ponad osiemnastu lat
prowadzi badania nad grupą aktywnych biologicznie związków organicznych –
czwartorzędowych soli amoniowych, które dzięki wielofunkcyjności znajdują
zastosowanie również jako biocydy w środkach ochrony drewna. Rezultatem
tych prac było opracowanie trzech preparatów ochronnych do zabezpieczania
drewna przed korozja biologiczną, jak również przed deprecjacją świeżo przetartego drewna iglastego, wywołaną grzybami sinizny. Opatentowany przez ITD
i wdrożony w Zakładzie Chemii Budowlanej Inco-Veritas preparat Fungosept
był stosowany przez kilkanaście lat w polskich zakładach przemysłu drzewnego,
w kąpielach antyseptycznych tarcicy, palet, palisad i innych elementów drewna
iglastego. Równolegle trwały prace badawcze nad nowymi strukturami związków powierzchniowo i biologicznie czynnych, których prekursorami są czwartorzędowe sole amoniowe, a mianowicie nad cieczami jonowymi. Intensywne
zaangażowanie Instytutu w tę tematykę badawczą, jak również współpraca
z uczelnianymi ośrodkami naukowymi (Politechnika Poznańska, Politechnika
Śląska, Uniwersytet Ekonomiczny i Uniwersytet Medyczny w Poznaniu)
zaowocowały organizacją (w latach 1995–2005) sześciu cyklicznych Sympozjów naukowych, podczas których naukowcy – wybitni przedstawiciele różnych
Jadwiga ZABIELSKA-MATEJUK, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
140
Jadwiga ZABIELSKA-MATEJUK
dyscyplin badawczych (chemia i technologia chemiczna, mikrobiologia, ochrona
środowiska, toksykologia, technologia drewna, konserwacja i inne) – prezentowali swoje najnowsze osiągnięcia, dotyczące badań czwartorzędowych soli
amoniowych.
W ramach realizowanego przez ITD projektu rozwojowego POIG.01.03.0130-074/08 „Ciecze jonowe w innowacyjnych technologiach związanych
z przetwarzaniem surowców lignocelulozowych”, odbędzie się kolejne, VII
Sympozjum nt. „Czwartorzędowe sole amoniowe i obszary ich zastosowania
w gospodarce” poświęcone również tematyce cieczy jonowych. Z uwagi na
rangę i wysoki poziom naukowy tego przedsięwzięcia, VII Sympozjum zostało
objęte honorowym patronatem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz
Ministra Gospodarki. Celem Sympozjum jest przedstawienie najnowszych osiągnięć w dziedzinie badań naukowych prowadzonych w zakresie czwartorzędowych soli amoniowych i cieczy jonowych (synteza, fizykochemia, aktywność
powierzchniowa, analityka, toksykologia, ekotoksykologia, degradacja i biodegradacja, mikrobiologia, ochrona drewna). Ponadto pokazane zostaną nowe
kierunki zastosowań cieczy jonowych (reakcja chemiczna i enzymatyczna, kataliza, procesy separacji, rozpuszczanie i degradacja biomasy i tworzyw sztucznych, elektrolity, konserwacja drewna użytkowego i zabytkowego, impregnacja
papieru, smary, farby, materiały użytkowe). Zadaniem Sympozjum jest również
prezentacja zastosowań preparatów zawierających tę grupę związków.
Program Sympozjum przewiduje wygłoszenie wykładów przez zaproszonych specjalistów zajmujących się czwartorzędowymi solami amoniowymi,
w tym również cieczami jonowymi. Na szczególną uwagę zasługują nowe aplikacje cieczy jonowych jako związków herbicydowych z bioaktywnym kationem,
ich wielofunkcyjne działanie ochronne. Nowatorski w skali światowej kierunek
badań cieczy jonowych jako rozpuszczalników celulozy, a w dalszym etapie
badań degradacji kompleksu lignocelulozy z użyciem enzymów, wskaże zapewne nowe możliwości ich aplikacji w technologii celulozy i w przemyśle papierniczym. Podczas Sympozjum zostaną przedstawione najnowsze rozwiązania
w zakresie struktur cieczy jonowych o silnym powinowactwie do celulozy.
Interesujące dla rozwoju drzewnictwa będą zapewne wyniki badań nad
wykorzystaniem cieczy jonowych w technologii otrzymywania sklejek jako
utwardzaczy klejowych żywic aminowych nowej generacji. Efektem aplikacji
nowych struktur cieczy jonowych w technologii wytwarzania płyt wiórowych
o podwyższonej odporności na działanie czynników biotycznych, szczególnie
grzybów rozkładających materiał lignocelulozowy, będzie uzyskanie nowych
tworzyw drzewnych, przeznaczonych do użytkowania w warunkach zagrożenia
atakiem biologicznym. Oddziaływanie cieczy jonowych na drewno, jego fizyczne i mechaniczne właściwości, na trwałość i odporność ogniową drewna to
podstawowe obszary badawcze, których wyniki i osiągnięcia będą szeroko
prezentowane podczas Sympozjum.
Sympozjum „Czwartorzędowe sole amoniowe i obszary ich zastosowania w gospodarce”
141
Interesującym zagadnieniem zastosowania cieczy jonowych w procesach
separacji jest możliwość skutecznego wykorzystania tych związków w technologii oczyszczania paliw płynnych (np. ropy naftowej z zanieczyszczeń związkami siarki). Podjęcie w programie Sympozjum ważnych zagadnień aplikacji
cieczy jonowych jako medium reakcji chemicznych, w procesach katalizy podkreśla wielofunkcyjność tych związków. Istotnym problemem wprowadzania
nowych związków chemicznych do zastosowań przemysłowych jest ich oddziaływanie na środowisko i związane z nim zagadnienia oczyszczania ścieków.
W ramach Sympozjum przedstawione zostaną najnowsze techniki analityczne
czwartorzędowych soli amoniowych w aspekcie ochrony środowiska, badania
ich biodegradacji.
Podczas sesji posterowej, trwającej od rozpoczęcia do zakończenia Sympozjum, zaprezentowanych zostanie ponad 80 posterów, przedstawiających osiągnięcia naukowe w dziedzinie badań czwartorzędowych soli amoniowych. Na
zakończenie Sympozjum odbędzie się panel dyskusyjny pozwalający na wymianę doświadczeń specjalistów, jak również podsumowujący aktualny stan badań
w ośrodkach naukowych zajmujących się tą interesującą grupą związków organicznych.
VII SYMPOSIUM ON „QUATERNARY AMMONIUM SALTS
AND THEIR APPLICATIONS IN THE ECONOMY”
Summary
The aim of the Symposium is to present the latest achievements of specialists in various
scientific disciplines who deal with physical chemistry, synthesis, surface and biological
activity, toxicology, and analytics of quaternary ammonium salts, as well as the use of
quaternary ammonium salts for protection of wood and paper, for catalysis, separation
processes, and biomass degradation. During the Symposium the participants will have a
chance to listen to 16 lectures and acquaint themselves with over 80 posters. Afterwards
the materials will be published in the form of scientific articles in the journals “Przemysł
Chemiczny” or “Drewno”. A discussion panel planned for the end of the Symposium
will allow summary of current state of research in scientific centres dealing with the
issue of quaternary ammonius salts.
Keywords: symposium, quaternary ammonium salts, research, wood science

pobierz - Drewno

Transcription

Similar documents

Polska

pobierz - Drewno

pobierz - Drewno

EasyChange - iDecking Revolution

Pobierz darmowy fragment

badania i konserwacja w XXI wieku The Heritage Wood: Research

Katalog kolekcji

ST. STANISLAUS KOSTKA PARAFIA ŚW. STANISŁAWA KOSTKI

pobierz - Nowy Czas

Newsletter 37/19.11.2015

Intercathedra 24 2008 - Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Pełna wersja - Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej

konstrukcje drewniane - Informator Budownictwa