I

DRVO – TEHNIČKI MATERIJAL Vera Rede

II

„ ... Drvo raste da bi ispunilo svoju prirodnu, biološku, ´šumsku´ funkciju, a ne da bi služilo u

tehničke svrhe. Životna funkcija drva u biološkom smislu potpuno je nevezana s onime što mi od

njega u našoj očekujemo, jer čovjeka tehnički zanima mrtvo drvo, a funkcija mrtvog drva jest da u

šumi istrune. Stoga je potrebno dobro poznavati prirodne funkcije živoga stabla, kako bi se mogle

razumjeti karakteristike suhog ostatka njegova debla nakon smrti. Biološke funkcije stabla, naime,

dominantno određuju njegove specijalne fizikalne (u prvom redu mehaničke) osobine, ali i niz

tehničkih nepoželjnosti koje prihvaćamo kao zadana svojstva prirodnog materijala. ...“

Hrvoje Turkulin, Drvo kao suvremeni tehnički materijal

III

Recenzenti:

dr. sc. Tomislav Filetin, profesor emeritus, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu

dr. sc. Sara Essert, Botanički zavod Biološkog odsjeka, PMF, Sveučilište u Zagrebu

IV

Sadržaj 1. UVOD ................................................................................................................................ 1

2 STRUKTURA DRVA ........................................................................................................ 4

2.1 Botanička podjela ......................................................................................................... 4

2.2 Presjek kroz deblo ........................................................................................................ 5

2.3 Aksijalni i radijalni sustav ............................................................................................ 7

2.4 Karakteristični presjeci u drvu ..................................................................................... 8

2.5 Godovi .......................................................................................................................... 8

2.6 Drvne stanice .............................................................................................................. 10

2.7 Stanična stijenka......................................................................................................... 11

2.8 Jažice .......................................................................................................................... 12

2.9 Mikrostruktura četinjača ............................................................................................ 12

2.10 Mikrostruktura listača ................................................................................................ 15

3 KEMIJSKI SASTAV STANIČNE STIJENKE ............................................................... 19

3.1 Celuloza, hemiceluloza i ostali ugljikohidrati u drvu ................................................ 19

3.2 Lignin ......................................................................................................................... 20

3.3 Ekstrahirane tvari ....................................................................................................... 20

3.4 Anorganske tvari u drvu ............................................................................................. 21

4 VODA U DRVU .............................................................................................................. 22

4.1 Sadržaj vlage u živom drvu ........................................................................................ 22

4.2 Točka zasićenja vlakanaca ......................................................................................... 23

4.3 Bubrenje i utezanje drva............................................................................................. 25

4.4 Utjecaj bubrenja na svojstva ...................................................................................... 26

5 BIOLOŠKA DEGRADACIJA DRVA ............................................................................ 27

5.1 Bakterije ..................................................................................................................... 28

5.2 Plijesni i gljivice ......................................................................................................... 28

5.3 Gljive .......................................................................................................................... 30

5.4 Kukci .......................................................................................................................... 31

5.5 Morski organizmi ....................................................................................................... 32

5.6 Prevencija i zaštita drva ............................................................................................. 32

6 TOPLINSKA SVOJSTVA DRVA .................................................................................. 33

7 MEHANIČKA SVOJSTVA DRVA ................................................................................ 37

7.1 Modul elastičnosti ...................................................................................................... 37

7.2 Poissonov omjer ......................................................................................................... 40

7.3 Modul smika .............................................................................................................. 41

7.4 Savojna čvrstoća......................................................................................................... 41

7.5 Tlačna čvrstoća........................................................................................................... 42

V

7.6 Smična čvrstoća ......................................................................................................... 43

7.7 Vlačna čvrstoća .......................................................................................................... 44

7.8 Žilavost ....................................................................................................................... 46

7.9 Lomna žilavost ........................................................................................................... 47

7.10 Tvrdoća drva .............................................................................................................. 48

7.11 Otpornost na trošenje (Fali kratica za svojstvo) ......................................................... 52

7.12 Brzina zvuka............................................................................................................... 54

Literatura .................................................................................................................................. 55

1

1. UVOD

Šume i njihov glavni proizvod drvo imaju izuzeto važnu ulogu u životu ljudi od prvih početaka

civilizacije do današnjih dana. Prva oruđa i oružja, energija za kuhanje i grijanje dobivena su

od drva. Drvo je uz kamen i glinu sigurno bio prvi tehnički materijal koji su koristili naši davni

preci da bi svoj život učinili lakšim. Primjena drva je imala veliki značaj u rastu i razvoju

ljudske populacije i u njihovu tehničkom i ekonomskom napretku.

Drvo se kroz ljudsku povijest koristilo, a i danas koristi, za bezbroj različitih namjena i bezbroj

različitih proizvoda. Poljoprivredni alati i oruđa, kolibe, kuće i druge vrste nastambi, mostovi,

čamci, brodovi, koplja, lukovi i strijele, kola, namještaj, obuća, različite posude, željeznički

pragovi, vagoni, samo su neki od proizvoda napravljenih od drva. Plodovi i listovi (pa i kora)

različitih vrsta drva bile su važan dio ljudske i životinjske prehrane ili su se koristili u druge

svrhe (medicinske, za farbanje tkanina, ritualne, ukrasne i odjevne predmete, i dr.). Energija

koja se dobije izgaranjem drva dala je veliki doprinos razvoju industrije, a drvo je i danas glavni

izvor energije za veći dio svjetske populacije. Prema podacima FAO iz 2004. godine, od ukupne

svjetske potrošnje drva u 2002. godini, 54 % je potrošeno na ogrjev i drveni ugljen. Oko 43 %

od toga potrošeno je u Aziji i oko 31 % u Africi. Ukupna svjetska potrošnja trupaca u 2002.

godini (ogrjev, drveni ugljen i industrijsko drvo) iznosila je oko 3.390.684.310 m3.

Osim što proizvode drvo za ogrjev, konstrukcijsku i drugu primjenu, šume imaju veliki utjecaj

na kvalitetu ljudskog života i ekosistem općenito:

- povoljno utječu na klimu

- zadržavaju i čuvaju vodu u tlu

- proizvode kisik

- vežu ugljični dioksid i tako smanjuju njegovu emisiju u atmosferu

- imaju veliki estetski značaj

- povoljno utječu na bio-raznolikost

- sprječavaju eroziju tla i dr.

Zbog svega navedenog svaka država bi trebala, kroz vladine agencije, nevladine organizacije i

institucije, te kroz industriju i obrazovanje, neprestano ukazivati na veliku važnost šuma, na

korist od pametnog gospodarenja drvom, na važnost recikliranja drvnih proizvoda i slično.

Hrvatska ima dugu tradiciju u gospodarenju šumama te obradi i preradi drva. Šume i drvo su

naš važan prirodni sirovinski resurs. U Hrvatskoj šume i šumska zemljišta pokrivaju 47 %

kopnene površine, a same šume oko 37 % i uglavnom su u državnom vlasništvu.

Ukupna površina šuma i šumskog zemljišta šumskogospodarskog područja raspodijeljena je

prema namjeni u tri kategorije: gospodarske šume (52 %), zaštitne šume (30 %) i šume posebne

namjene (18 %), slika 1.1, [1].

2

Slika 1.1 - Struktura šuma i šumskog zemljišta prema namjeni, [1]

Zbog specifičnog zemljopisnog položaja postoji preko 60 različitih tipova šumskih zajednica i

u njima oko 4.500 biljnih vrsta i podvrsta. Prema vrsti drveća prevladavaju šume bjelogorice

zastupljene s oko 84 %, dok su šume crnogorice zastupljene s oko 16 %. Hrvatske šume imaju

pretežno prirodnu strukturu što je rijetkost u europskim okvirima, a na što je značajan utjecaj

imala naša 150-godišnja tradicija šumarske struke i znanosti. Najzastupljenije vrste u hrvatskim

šumama su bukva, hrast, obični grab, i obični jasen te jela, smreka i bor, [1].

Na slici 1.2 prikazani su udjeli pojedinih drvnih vrsta u drvnoj zalihi šumskogospodarskog

područja Republike Hrvatske.

Slika 1.2 - Udio pojedinih vrsta drveća u drvnoj zalihi šumskogospodarskog područja, [1]

Drvo kao tehnički materijal ima posebna i jedinstvena svojstva. Ono je prirodan, obnovljiv, u

potpunosti reciklabilan, biodegradabilan, ekološki visokovrijedan i tehnički svestran materijal.

Iako se danas proizvodi, koji su se tradicionalno izrađivali iz drva, izrađuju iz drugih tehničkih

materijala (polimera, lakih metala ili kompozita), drvo i dalje zauzima značajan udio u primjeni.

Između velikog broja vrsta s raznolikom građom i s vrlo različitim fizikalnim svojstvima može

se odabrati materijal koji će biti optimalan u određenim uvjetima primjene. Osnovni cilj u

3

modernoj primjeni drva jest naglasiti i iskoristiti njegovu prirodnu, estetsku i tehničku kvalitetu,

a istodobno eliminirati ili svesti na najmanju moguću mjeru njegove nedostatke.

Tehničko drvo je osrženi sekundarni ksilem lignoceluloznog sastava proizveden od

vaskularnog bilja iz skupine sjemenjača.

Za drvo je, više nego za ostale materijale, karakterističan veliki raspon vrijednosti svojstava.

Pojedine vrste drva mogu imati i desetak puta manju gustoću od drugih ili nekoliko puta veću

savojnu čvrstoću, tvrdoću ili krutost.

Drvo se može reciklirati, pa i nekoliko puta. Drvo je sirovina iz koje se mogu dobiti celuloza i

papir te korisne industrijske kemikalije - etanol i polimeri.

Trajnost drva može se poboljšati različitim kemijskim i fizikalnim postupcima, pa drvne

konstrukcije uz dobru zaštitu mogu trajati stotinama godina. Na slici 1.3 prikazan je drveni

dvorac iz 13. stoljeća, a na slici 1.4 jedna je od najstarijih i najvrednijih drvenih kapela,

podignuta je 1677 u Turopolju.

Slika 1.3 - Drveni dvorac Horyu iz 13.

stoljeća, Nara, Japan, [2]

Slika 1.4 - Drvena kapela Sv. Jurja,

Lijevi Štefanki, Turopolje

- jedna je od najstarijih i najvrednijih

drvenih kapela, podignuta 1677., [3]

4

2 STRUKTURA DRVA

Drvo je prirodan, heterogen, anizotropan, higroskopan kompoziti materijal s izrazito visokom

specifičnom čvrstoćom i specifičnom krutošću. Uz niz dobrih svojstava, drvo ima i neke

prirodne nedostatke. Da bi se predvidjelo njegovo ponašanje u različitim uvjetima primjene i

iskoristile njegove prednosti, a eliminirali nedostatci, treba prije svega dobro upoznati njegovu

građu jer su svojstva bilo kojeg materijala uvijek posljedica strukture. Znanstvena botanička

disciplina koja se bavi proučavanjem makroskopskih, mikroskopskih i sub-mikroskopskih

značajki strukture drva, a koja je dio opće anatomije bilja, zove se anatomija drva.

2.1 Botanička podjela

Sve komercijalno zanimljive vrste drva pripadaju skupini cvjetnica ili sjemenjača, a dijele se

na listače i četinjače, slika 2.1. Drvo listača zove se još i tvrdo drvo (engl. hardwood), a drvo

četinjača meko drvo (engl. softwood), iako to nema uvijek veze s njihovom stvarnom tvrdoćom.

Među četinjačama nema puno komercijalnih vrsta, za razliku od listača, koje su zastupljene s

oko 2000 vrsta. Većina vrsta listača pripada egzotičnim vrstama drva koje rastu u tropskom

klimatskom pojasu.

Slika 2.1 – Četinjače i listače, [4]

Opći oblik stabla četinjača (A) i listača (B)

Poprečni presjek kroz deblo četinjača (C) i listača (D)

Četinjače spadaju u skupinu golosjemenjača, dobile su ime po obliku listova, rastu na sjevernoj

hemisferi i uglavnom su zimzelene (ne gube lišće u hladnom dijelu godine). Kod nas su

najpoznatije jela (Abies), smreka (Picea) i bor (Pinus).

5

Listače pripadaju skupini kritosjemenjača, a poznate su i pod nazivom bjelogorica. Njima u

jesen lišće (uglavnom) opada, a tipični predstavnici su bukva (Fagus), hrast (Quercus), breza

(Betula), javor (Acer), jasen (Fraxinus) i dr.

Svako stablo se sastoji od tri glavna dijela: korijena, debla i krošnje. Svaki od njih ima svoju

vrlo kompleksnu ulogu. Sustav korijenja drži i podupire stablo te apsorbira vodu i mineralne

tvari. Deblo podupire krošnju, kroz njega se provode voda i mineralne tvari od korijena prema

krošnji, a u dubljim slojevima pohranjuju se rezervne tvari i šećeri. Krošnja se sastoji od debljih

i tanjih grana, izboja i lišća. Listovi apsorbiraju ugljični dioksid iz atmosfere, upijaju energiju

iz sunčeve svjetlosti i u procesu fotosinteze proizvode složene ugljikove spojeve –

ugljikohidrate (i nuzproizvod – kisik). Hranjive tvari iz listova transportiraju se prema donjim

dijelovima stabla kroz unutarnji sloj kore.

2.2 Presjek kroz deblo

Na slici 2.2 prikazan je poprečni presjek kroz deblo. Gledano iz vana prema unutra razlikuju se

sljedeći slojevi: vanjska kora, unutarnja kora, kambij, bjeljika, srž ili srževina i srčika.

Slika 2.2- Poprečni presjek kroz deblo, [4]

vanjska kora (vk), unutarnja kora (uk), kambij (k), bjeljika, srževina i srčika (s)

Vanjska kora štiti unutarnju koru i cijelo deblo od isušivanja. Ispod vanjske kore nalazi se

unutarnja kora (floem) kroz koju se transportiraju produkti fotosinteze od listova prema

korijenu ili rastućim dijelovima biljke. Između kore i drvnog tkiva nalazi se tanki sloj

vaskularnog (žilnog) kambija iz kojeg svakog proljeća (u našoj klimatskoj zoni) kreće s

rastom prema unutra novi sloj drva (sekundarni ksilem), a prema vani novi sloj unutarnje kore

(sekundarni floem). Odnos širine floema i ksilema jedne vegetacijske sezone je ≈ 1:10.

Na slici 2.3 prikazan je uzdužni presjek kroz deblo. S lijeva na desno vide se: dio zadnjeg goda,

tanki sloj kambija, unutrnja i vanjska kora. Na slici 2.4 prikazan je tangencijalni presjek kroz

vaskularni kambij, gdje se vide dva tipa inicijalnih stanica: vretenaste i izodijametrične (r). Iz

6

vretenastih inicijala razvit će se uzdužno orijentirani elementi sekundarnog žiljnog staničja

(ksilema i floema), a iz izodijametričkih inicijala nastat će radijalni dio sekundarnog žiljnog

staničja (ksilemski i floemski trakovi).

Slika 2.3 – Uzdužni presjek kroz deblo, [4] Slika 2.4 - Tangencijalni presjek

kroz vaskularni kambij, [4]

Bjeljika je metabolički aktivni, živi sloj drva kroz koji se transportira voda i mineralne tvari od

korijena prema gore, sve do lišća. Osim toga ovdje se sintetiziraju i pohranjuju škrob i lipidi,

što može utjecati na trajnost drva i obradivost. Bjeljika je svjetlija od srževine koja se nalazi

ispod nje. U srževini su nataložene različite biokemijske tvari koje se zovu ekstraktivi. Zbog

njih je srževina tamnije obojena, a kondukcija vode i mineralnih tvari je onemogućena. O

količini i vrsti ekstrahiranih tvari ovise mehanička i tehnološka svojstva te trajnost drva.

U samom središtu drvnog valjka nalazi se srčika, ostatak tkiva iz rane faze rasta stabla dok

deblo još nije bilo formirano.

Kod nekih vrsta drva srževina je puno tamnija od bjeljike i te vrste se zovu jedričave, slika 2.5.

Ako nema razlike u boji između neosrženog i osrženog dijela takve vrste se zovu bakuljave,

slika 2.6. U bakuljave vrste spadaju: breza, bukva, grab obični, javor, jela, lipa i smreka. U

jedričave vrste se ubrajaju: ariš, bagrem, bor, brijest, hrast, pitomi kesten, orah i bijela topola.

Početak procesa osržavanja ovisi o staništu, vrsti drva, položaju, klimi, tlu i svjetlu. Ariš osržava

u 5. godini života, hrast i bor između 20. i 35. godine, jasen između 60. i 70. godine te bukva

između 70. i 80. godine. Zbog osržavanja se mijenja sadržaj vode u drvu, dolazi do tiloze kod

listača, odnosno aspiracije ograđenih jažica kod četinjača. Iz drva bjeljike nestaje škrob, a zbog

stvaranja i taloženja sržnih tvari dolazi do promjene boje.

7

Slika 2.5 – Presjek bakuljavog drva (bukva) Slika 2.6 – Presjek jedričavog drva (hrast)

2.3 Aksijalni i radijalni sustav

Ako se detaljnije pogleda u strukturu drva mogu se vidjeti pojedinačne stanice koje čine savršen

sustav u kojem su međusobno povezani svi dijelovi stabla, od najtanjeg korijenčića preko debla

do najtanje grančice na vrhu krošnje.

Sve drvne stanice su izduženog oblika, duljina im je nekoliko puta veća od širine i sve su

orijentirane u jedan od dva postojeća sustava: aksijalnom i radijalnom sustavu. Stanice

aksijalnog sustava izdužene su u smjeru osi debla ili grana u kojima se nalaze, a stanice

radijalnog sustava su izdužene u smjeru okomitom na os debla ili grana, postavljene su slično

kao žbice na kotaču bicikla i povezuju srčiku s korom, slika 2.7.

Aksijalni sustav je odgovoran za protok tvari od korijena prema gore i obrnuto, a o njemu ovisi

čvrstoća stabla. Radijalni sustav omogućava lateralni protok biokemijskih tvari od središta

debla prema kori i obrnuto. Ova dva sustava su međusobno isprepletena i povezana te potpuno

određuju svojstva drvnog tkiva.

Slika 2.7 – Tri karakteristična presjeka u drvu, [4]

8

2.4 Karakteristični presjeci u drvu

Zbog usmjerene građe drva i njezine orijentiranosti u aksijalnom i radijalnom smjeru, za

dobivanje cjelovite predodžbe o mikrostrukturi i svojstvima drva, potrebno je drvo promatrati

u tri različita presjeka: poprečnom (transferzalnom), radijalnom i tangencijalnom, slika 2.7.

Poprečni presjek je okomit na uzdužnu os debla i na drvna vlakanca. Na njemu se vide značajke

od srčike prema kori, a ne vide se promjene uzduž debla.

Radijalni presjek je u ravnini koju određuju radijus i uzdužna os debla. U praksi bi to bio presjek

koji nastaje kad se deblo rascijepi točno preko srčike. U njemu se mogu promatrati značajke od

srčike prema kori (radijalno) i uzduž osi debla.

Tangencijalni presjek je okomit na radijalni. Paralelan je s uzdužnom osi debla i okomit na

radijus valjka debla.

Samo promatranje i analiza u sva tri presjeka dat će pravu i potpunu sliku o mikrostrukturi i o

svojstvima drva.

2.5 Godovi

Stabla tijekom svog života rastu u visinu i debljinu. Rast u visinu je primarni rast i ograničen je

na vegetacijske vrhove. Rast u debljinu je sekundarni rast. Za sekundarni rast zadužen je tanki

sloj kambija koji se nalazi između unutarnje kore i bjeljike. Djelovanje kambija može biti

diskontinuirano i kontinuirano.

Diskontinuirano ili sezonsko djelovanje kambija karakteristično je za umjereni zemljopisni

pojas s pravilnom izmjenom godišnjih doba. Djelovanje kambija počinje i najintenzivnije je u

proljeće, a smanjuje se i potpuno prestaje tijekom ljeta, najkasnije tijekom jeseni. Prirast

sekundarnog ksilema koji u tom razdoblju nastane zove se god. Kambij može početi djelovati

prije listanja, tijekom listanja ili nakon listanja, ovisno o vrsti drva.

Kambij djeluje kontinuirano kod vrsta koje rastu u vlažnoj tropskoj klimi. Takve vrste nemaju

godove ili imaju godove, ali se oni ne mogu poistovjetiti s godovima vrsta koje rastu u

kontinentalnoj klimi.

Stanice koje nastanu na početku vegetacijske sezone zovu se rani dio goda ili rano drvo, a

stanice koje nastanu kasnije čine kasni dio goda ili kasno drvo, slika 2.8.

S obzirom na izgled stanica ranog i kasnog dijela goda sve vrste drva modu se svrstati u jednu

od tri sljedeće skupine:

- vrste kod kojih nema razlike između stanica (provodnih elemenata) ranog i kasnog

dijela goda

- vrste kod kojih se unutarnji promjer provodnih elemenata postepeno smanjuje od

ranog prema kasnom drvu

- vrste kod kojih se unutarnji promjer provodnih elemenata naglo smanjuje od ranog

prema kasnom drvu

Na slici 2.9 prikazane su primjeri za sve tri skupine kod četinjača i listača.

9

Slika 2.8 – Popreči presjek četinjače (lijevo –bor (Pinus resinosa)) i listače (desno

–hrast (Quercus rubra)) s naznačenim ranim i kasnim dijelom goda, [4]

četinjače

Podocarpus imbricata

Picea glauca

Pseudotsuga mensiezii

listače

Acer saccharum

Diospyros virginiana

Fraxinus americana

Slika 2.9 – Tri karakteristična tipa godova kod četinjača i listača, [4]

A – ne vidi se prijelaz iz ranog u kasni dio goda (nema izraženih godova)

B - postupan prijelaz iz ranog u kasni dio goda

C - nagli prijelaz iz ranog u kasni dio goda

D - ne vidi se prijelaz iz ranog u kasni dio goda (difuzno ili rastresito porozno

drvo)

E - postupan prijelaz iz ranog u kasni dio goda (semi-difuzno porozno drvo)

F - nagli prijelaz iz ranog u kasni dio goda (prstenasto porozno drvo)

Četinjače imaju jednostavniju građu od listača. Kod nekih vrsta četinjača, među stanicama koje

čine jedan god, nema razlike u duljini, debljini stijenke ili promjeru lumena, slika 2.9 A. Kod

10

drugih vrsta prijelazom iz ranog u kasni dio goda stanice se postupno mijenjaju, slika 2.9 B, a

kod preostalih je prijelaz iz ranog u kasni dio goda vrlo nagli, slika 2.9 C.

Listače se od četinjača razlikuju po velikim provodnim sudovima – trahejama. Traheje se

ponekad nazivaju i porama, iako nisu pore u klasičnom smislu. Traheje mogu biti raspoređene

ravnomjerno (difuzno) po cijelom godu (slika 2.9 D) ili grupirane samo u ranom dijelu goda

(slika 2.9 F). Prijelazni oblici između difuzno poroznog i prstenasto poroznog drva zovu se

semi-difuzno porozne vrste drva, slika 2.9 E.

Godovi mogu biti jače ili slabije izraženi, manje ili više markantni. Markantniji su godovi na

poprečnom nego na uzdužnom presjeku. Općenito su markantniji godovi kod četinjača nego

kod listača. Kod četinjača markantni su godovi kod ariša, jele, smreke, duglazije, a nisu

markantni kod tise i borovice. Godovi prstenasto-poroznih listača su u pravilu markantniji nego

kod difuzno poroznih. Markantni godovi su kod bagrema, brijesta, bukve, hrasta i jasena, a

slabije markantni su godovi graba, javora i lipe.

Po boji godovi mogu biti svjetliji i tamniji.

Po širini godovi se dijele na fine ili uske (do 1/3 cm), polu-fine ili srednje široke (1/3 do 2/3

cm) i grube ili široke (širi od 2/3 cm).

Kod debala su godovi u blizini srčike širi nego na periferiji. Kod drva grana u listača godovi su

širi s gornje, a kod četinjača s donje strane. Razlike potječu zbog različitog osvjetljenja, razvoja

krošnje ili mehaničkih uvjeta.

Po tijeku granične linije godovi mogu biti paralelni s periferijom poprečnog presjeka debla,

valoviti (kod užlijebljenog debla) i uleknuti (smreka ili jela lještarka).

2.6 Drvne stanice

Biljna stanica je osnovna organizacijska jedinica bilo koje biljke. Sastoji se od protoplasta i

stanične stijenke. Protoplast je živi sadržaj unutar stanične membrane. Stanična stijenka je

neživa tvar izgrađena uglavnom od ugljikohidrata. To je propusna čvrsta struktura koja štiti

stanicu od previsokog osmotskog tlaka, osigurava mehaničku potporu i daje joj stalan oblik.

Kad se govori i piše o drvnoj stanici onda je to mrtva biljna stanica bez plazmatskog sadržaja.

Taj prazni prostor omeđen staničnom stijenkom u kojem su se prije nalazile protoplasti zove

se lumen. Lumen je važan dio drvne stanice osobito sa stajališta upijanja vlage i formiranja

drvnih kompozita.

Na slici 2.10 prikazan je poprečni presjek kroz drvo gdje se vide drvne stanice četinjače (A) i

listače (B). Stanice četinjača su pravokutne, sve su istog tipa i zovu se traheide. U ranom dijelu

goda stanice imaju veći lumen i tanju stijenku, a u kasnom dijelu goda manji lumen i deblju

stijenku. Listače se od četinjača razlikuju prije svega po velikim okruglim stanicama, porama.

Ti veliki provodni sudovi imaju debelu staničnu stijenku i vrlo veliki lumen. Ostale stanice su

puno manje, s tankom staničnom stijenkom i malim lumenom.

11

Slika 2.10 – Poprečni presjek kroz drvo četinjače (A) i listače (B), [4]

2.7 Stanična stijenka

Stijenka drvne stanice je visokouređena čvrsta, ali propusna struktura koja u živom drvu štiti

stanični sadržaj i daje stanici stalni oblik. Sastavljena je od tri glavna dijela: središnje lamele,

primarnog i sekundarnog dijela stijenke, slika 2.11.

Slika 2.11 – Građa stanične stijenke, [4]

Sva tri dijela izgrađena su od celuloze, hemiceluloze te pektina i lignina. Duge makromolekule

celuloze složene su kristalnom pravilnošću u micele. Oko 20-ak micela zajedno čine zajedno

celulozna mikrovlakna (mikrofibrile). Grupirana mikrovlakna čine makrovlakna

(makrofibrile), a između njih je interfibrilni prostor u koji kapilarno ulazi voda. Celulozna

mikrovlakna su zajedno s hemicelulozom okružena matricom sastavljenom uglavnom od

pektina (u primarnom) i lignina (u sekundarnom dijelu stijenke). Središnja lamela (ML) je

prostor između primarnih stijenki susjednih stanica, bogat ligninom. Preko središnje lamele

susjedne stanice su povezane u jedinstvenu cjelinu, čime je omogućeno njihovo normalno

funkcioniranje – provođenje vode i biokemijskih tvari. Na središnju lamelu nastavlja se

12

primarna stanična stijenka (P) sačinjena od dugih mikro-vlakana celuloze koja omataju stanicu

pod kutom od 0 do 90° u odnosu na uzdužnu os stanice. Primarna stijenka je vrlo tanka i teško

ju je razlučiti od središnje lamele. Na primarnu stijenku nastavlja se sekundarna stijenka (S)

sastavljena od tri sloja različite debljine. Prvi sloj sekundarne stijenke (S1) je relativno tanak a

celulozna mikrovlakna su položena pod kutom od 50 do 70° u odnosu na središnju os stanice.

Drugi sloj (S2) je najdeblji sloj sekundarne stijenke i u velikoj mjeri određuje svojstva same

stanične stijenke, ali i svojstva drva na makroskopskoj razini. Kut između mikrovlakana

celuloze i središnje stanične osi je između 5 i 30°, a udio lignina je manji nego u središnjoj

lameli i primarnoj stjenci. Ispod sloja S2 nalazi se treći sloj sekundarne stanične stijenke, (S3),

koji sadrži još manje lignina, relativno je tanak, a mikrovlakna su omotana pod kutom većim

od 70°. Lignin je građen od hidrofobnih makromolekula, a od središnje lamele prema lumenu

njegov sadržaj se postupno smanjuje da bi se olakšao provod vode i transpiracija u živom drvu.

U tablici 2.1 prikazana su neka svojstva celuloznih mikrovlakana i vlakana nekih drugih

materijala.

Tablica 2.1 – Svojstva celuloznih vlakana u usporedbi s drugim materijalima, [5]

Materijal Gustoća

g/cm3

Modul elastičnosti

GPa

Vlačna čvrstoća

MPa

Celuloza (iz ramije) 1,5 44-128 220-938

E- staklo 2,5 70 2000-3500

S- staklo 2,5 86 4570

Aramid 1,4 63–67 3000–3150

Ugljik 1,4 230-240 4000

2.8 Jažice

Na slici 2.11 također se vide jažice (pitovi), posebne tvorevine u staničnoj stjenci, koje

omogućuju prijelaz tvari iz jedne u drugu stanicu u živom drvu, tj. komunikaciju između

stanica. Stanična stijenka je u području jažice stanjena što se direktno odražava na ponašanje

drva u različitim situacijama (kod impregnacije, završne obrade ili spajanja drva lijepljenjem).

Jažice se kod pojedinih vrsta drva razlikuju po tipu, broju, veličini i proporcijama. Između dviju

susjednih stanica jažice se formiraju u staničnoj stijenci obiju stanica, a nalaze se točno jedna

nasuprot drugoj. Ponekad jažice mogu nastati samo na jednoj stanici bez para na susjednoj. To

su slijepe jažice i one rijetko nastaju. Komunikacija između stanica parenhima obavlja se preko

jednostavnih jažica koje su sve istog oblika i veličine.

2.9 Mikrostruktura četinjača

Mikrostruktura četinjača je puno jednostavnija od mikrostrure listača. Sastoji se uglavnom od

traheida koje su usmjerene aksijalno (vertikalno) i parenhimnih stanica u drvnim tracima koje

su usmjerene radijalno, od srčike prema kori debla.

13

Traheide su izdužene stanice s omjerom između duljine i širine od oko 100:1. Volumni udio

traheida u drvu četinjača iznosi preko 90 %, a njihova funkcija je provođenje ili kondukcija

vode i mehanički suport. Na slici 2.12 vide se tri karakteristična presjeka kroz drvo četinjače.

Slika 2.12 – Građa drva četinjača (Piceaglauca), [4]

A - aksijalni, B - radijalni, C - tangencijalni presjek

Na slici 2.12 A vidi se poprečni (aksijalni) presjek debla u kojem su traheide, orijentirane uzduž

osi debla, poprečno presječene. Traheide ranog i kasnog dijela goda razlikuju se po debljini

stijenke i veličini lumena, a sve imaju sličan oblik poprečnog presjeka - kvadratni ili pravokutni.

U ranom dijelu goda traheide imaju tanju staničnu stijenku i veći lumen nego u kasnom dijelu

goda. U prvom dijelu godine (u našoj klimatskoj zoni) biljka ima na raspolaganju dosta vode

koju treba provesti od korijena prema višim dijelovima biljke pa zato stanice u ranom dijelu

goda imaju veliki lumen i tanku stijenku. Tijekom godine količina dostupne vode se smanjuje

pa stanice imaju sve manji lumen i sve deblju stijenku. Stanice s debljom stijenkom i manjim

lumenom su čvršće i više pridonose mehaničkoj otpornosti drva od stanica u ranom dijelu goda.

Voda i u njoj otopljene tvari prelaze iz jedne u drugu stanicu preko jažica koje su uglavnom

locirane u vršnim, suženim dijelovima stanica. Jažice usporavaju kondukciju koja je zbog toga,

ali i zbog uskih traheida, puno slabija nego kod listača.

150 μm 150 μm

200 μm

14

Kod nekih vrsta četinjača, osim traheida, u aksijalnom smjeru mogu biti prisutne i parenhimske

stanice, ali je njihov udio zanemariv (do 1 %). Razlikuju se od traheida po tamnije obojanom

lumenu u kojem su nataložene organske tvari.

Smolenice ili smolni kanali su također prisutni u mikrostrukturi nekih vrsta (bor, smreka, ariš),

a mogu biti usmjereni aksijalno i radijalno. Smolenice su sačinjene od šupljine okružene

parenhimskim stanicama koje produciraju smolu. Na slici 2.12 A jasno se vide tri poprečno

presječena aksijalna smolna kanala s okolnim stanicama. Kod nekih vrsta četinjača smolni

kanali su vidljivi golim okom, a kod nekih su puno sitniji. Radijalne smolenice „ugrađene“ su

u drvne trake, koji su zbog toga puno širi i viši nego drvni traci bez smolenica, slika 2.12 C.

Kod nekih vrsta drva mogu se formirati veliki klasteri smolnica kao reakcija na mehanička

oštećenja ili neke bolesti.

Na slici 2.13 prikazana je smolnica u aksijalnom, radijalnom i tangencijalnom presjeku kod

vrste Pseudotsuga mensiezii.

Slika 2.13 – Smolenice kod vrste Pseudotsuga mensiezii, [4]

A – aksijalni (poprečni), B - radijalni, C – tangencijalni presjek

Drvni traci su građeni od parenhimskih stanica i radijalno su usmjereni od srčike prema kori

debla. Parenhimske stanice su prizmatičnog oblika, visine oko 15 m, širine oko 10 m i

duljine 150 do 250 m. Njihova primarna uloga je sinteza, skladištenje i lateralni transport

biokemijskih tvari i, u puno manjoj mjeri, vode. Na poprečnom presjeku drvni traci se vide kao

malo tamnije vertikalne pruge, slika 2.12 A. U radijalnom presjeku, na slici 2.12 B vide se dva

drvna traka vodoravno položena i označena strelicama. Na slici 2.12 C vide se drvni traci

presječeni po širini. Njihova širina uglavnom nije veća od širine jedne stanice (označeno

strelicama), osim ako se u njima ne nalaze radijalni smolni kanali zbog kojih su znatno širi. Na

navedenoj slici vide se dva takva proširena drvna traka sa smolnim kanalima. Parenhimske

stanice posložene su u drvnom traku jedna iznad druge. Na mjestu gdje se parenhimske stanice

drvnih traka presijecaju s aksijalnim traheidama formiraju se posebne jažice preko kojih je

povezan aksijalni i radijalni sustav drva (engl. cross-field pitting). Oblik ovih jažica razlikuje

se za pojedine vrste drva.

Drvne vrste koje imaju smolenice, u drvnim tracima osim parenhimnih stanica mogu sadržavati

i traheide. Traheide mogu nastati i u drvnim tracima nekih vrsta koje nemaju smolenice (Tsuga,

Chamaecyparis nootkatensis), a čiji su drvni traci izgrađeni od traheida.

15

2.10 Mikrostruktura listača

U usporedbi s četinjačama listače imaju puno složeniju građu. Uzdužni ili aksijalni sustav

listača građen je od vlaknastih elemenata (drvnih vlakanaca), traheja (pora) i traheida koje se

razlikuju po veličini i rasporedu te od različito strukturiranih parenhimskih stanica, slika 2.14.

Svi oni imaju važnu biološku ulogu ali isto tako, svojim oblikom, veličinom i rasporedom utječu

na mehanička, fizikalna, preradbena i druga svojstva drva.

I radijalni sustav listača je puno kompleksniji, a izgrađen je od parenhimskih stanica koje se

mogu jako razlikovati po veličini, obliku i drugim značajkama.

Slika 2.14 – Mikrostruktura drva listača, [6]

Na slici 2.15 prikazane su macerirane stanice hrasta (traheja, vlakance i traheida) te perforirane

plohe na spoju dviju traheida nekih vrsta drva.

Traheje ili pore su strukturni elementi po kojima se listače mogu, već na prvi pogled, jasno

odijeliti od četinjača. To su velike provodne stanice koje se nastavljaju jedna na drugu u

uzdužnom smjeru i čine provodne sudove koji su u stanju provesti veliku količinu vode od

korijena prema gore. Traheje su međusobno spojene preko perforiranih površina koje su kod

različitih vrsta različito građene, slika 2.15 B-F. Traheje su na sličan način povezane i sa

stanicama radijalnog sustava.

U poprečnom presjeku promjer pora je obično između 50 i 200 m iako mogu biti i puno veći

(preko 300 m). Duljina im je između 100 i 1200 m, što je puno manje od duljine traheida.

Traheje različitih vrsta drva razlikuju se po veličini i po rasporedu unutar goda. Kod difuzno-

poroznih vrsta traheide su podjednake veličine i ravnomjerno raspoređene u ranom i kasnom

dijelu goda, a kod prstenasto-poroznih vrsta grupirane su u ranom dijelu goda.

16

Slika 2.15 – Mikrostrukturni elementi drva listača, [4]

A – macerirane stanice hrasta (Quercus rubra) p – traheja, v – vlakance,

t - traheida

B - F – različito perforirane plohe na spoju dviju traheida različitih vrsta drva

Drvna vlakanca su izdužene stanice s relativno debelom staničnom stjenkom i uskim

lumenom, slika 2.16. Njihova duljina je manja od duljine traheida kod četinjača i iznosi između

200 i 1200 μm, a širina im je upola manja. Dva do deset puta su dulji od traheja. Njihova glavna

uloga je mehanički potpora, a o debljini stijenke ovise gustoća i čvrstoća svake pojedine vrste.

Vrste čija vlakanca imaju tanku stijenku i veliki lumen (balza, topola, lipa) imaju nisku gustoću

i čvrstoću, dok vrste s debelom stijenkom i malim lumenom vlakanaca imaju veću gustoću i

višu čvrstoću (jasen, bukva, brijest). Gustoća listača varira između 100 i 1400 g/cm3 (za 12 %

vlage), a četinjača između 300 i 800 g/cm3.

Aksijalne parenhimske stanice imaju tanku stijenku i veliki lumen, slika 20. Kod listača su

po građi i funkciji iste kao kod četinjača, samo se kod listača puno češće pojavljuju nego kod

četinjača, kod kojih su izuzetno rijetke. Kod listača se pojavljuju u različitim formacijama,

ponekad su grupirane uz velike provodne sudove (traheje), a ponekad su neovisne o njihovu

položaju, slika 2.17. Ova značajka je vezana uz vrstu drva i vrlo je važna pri identifikaciji vrste.

30 μm

300 μm

ph

v

200 μm 30 μm

30 μm

30 μm

30 μm

17

Slika 2.16 – Vlakanca (v) i parehimske stanice (ph) u drvu hrasta (Quercus rubra), [4]

Slika 2.17 – Aksijalne parehimske stanice, [4]

A, C i E – grupirane uz pore

B, D i F – neovisne o porama

Kod nekih vrsta drva u aksijalnom sustavu se nalaze i traheide koje imaju provodnu i funkciju

mehaničke potpore. Imaju tanju staničnu stijenku i kraće su od drvnih vlakanaca iste vrste drva.

Drvni traci se kod listača pojavljuju u puno više oblika nego kod četinjača, slika 2.18. Kod

većine vrsta njihova širina je između 1 i 5 stanica, a može biti i puno veća. Visina je najčešće

do 1 mm. Na slici 2.18 A vidi se jedan vrlo široki i puno uskih (širina jedne stanice) drvnih

traka. Drvni traci vrste na slici 2.18 B su širine od jedne do četiri parenhimske stanice, nanizani

su u redovima i homogeno raspoređeni po cijelom presjeku.

Na slici 2.18 C prikazan je drvni trak s istim oblikom stanica, a na slici 2.18 D drvni trak

sastavljen od stanica različitih oblika (u rubnim dijelovima drvnog traka nalaze se dva reda

stanica koje su različitog oblika od stanica u središnjem dijelu.

30 μm

18

Slika 2.18 – Drvni traci, [4]

A i B tangencijalni, C i D radijalni presjek

Quercus rubra

Swietenia macrophylla

Fraxinus americana

Khaya ivorensis

19

3 KEMIJSKI SASTAV STANIČNE STIJENKE

Drvo se može definirati kao trodimenzionalni biopolimerni kompozit sastavljen od međusobno

umreženih lanaca celuloze, hemiceluloze i lignina te zanemarivog sadržaja ekstraktiva i

anorganskih tvari. Većinska kemijska komponenta u živom drvu je voda, a suha drvna tvar tj.

stanična stijenka, sastavljena je uglavnom od polimera – ugljikohidrata (65-75 %) u kombinaciji

s ligninom (18-35 %). Četinjače sadrže nešto više celuloze i lignina, a manje hemiceluloze od

listača. Osim hemiceluloze i celuloze u drvu se, u zanemarivim količinama, mogu naći još dva

ugljikohidratna spoja – škrob i pektin.

Na elementarnoj razini suha drvna tvar stanične stijenke sastoji se od ugljika (50 %), kisika (44

%) i vodika (6 %) te anorganskih tvari u tragovima.

3.1 Celuloza, hemiceluloza i ostali ugljikohidrati u drvu

Celuloza je ugljikohidratni polimer, a može biti sastavljena od različitih jednostavnih

ugljikohidrata. To je najrasprostranjeniji polisaharid i najrašireniji je organski spoj na Zemlji.

Stupanj polimerizacije (broj glukoznih jedinica u makromolekuli) kod drvne celuloze može biti

do 15 tisuća, a najčešće je oko 9 do 10 tisuća, što odgovara duljini od 5 m.

Celulozne molekule su nasumično orijentirane, a ako im se poveća gustoća formiraju manje ili

više uređena područja tj. povećava se stupanj kristaliničnosti. Celuloza u drvu je uglavnom

visokokristalinična (oko 65 % od ukupne mase prema 35 % amorfne). Teško se izolira iz drvne

tvari jer je vrlo tijesno povezana s ligninom i hemicelulozom. Netopiva je u većini otapala

uključujući jake lužine. Otapa se u jakim kiselinama poput 72 %-tne sumporne ili 41 %-tne

solne kiseline.

Četinjače sadrže između 40-45 % celuloze, a listače između 38 i 49 %.

Na slici 3.1. prikazana je parcijalna struktura celuloze.

Slika 3.1 – Parcijalna struktura celuloze, [4]

Hemiceluloza je također ugljikohidratni polimer kao i celuloza, ali s puno manjim stupnjem

polimerizacije, najčešće između 100 i 200. Obično je građena od različitih tipova monomernih

šećera i za razliku od celuloze, hemiceluloza je razgranati polimer. Lako se otapa u lužinama.

Detaljna struktura većine drvnih celuloza ne može se precizno determinirati. Veći udio

hemiceluloze od uobičajenom može se naći u jače napregnutim dijelovima drva, npr. u

kompresijskom drvu.

Četinjače sadrže nešto manje hemiceluloze (7-14 %) od listača (19-26 %).

20

Pektin, škrob i proteini su također ugljhikohidratni polimeri koji se nalaze u drvnoj tvari kako

listača tako i četinjača. Pektina ima u središnjoj lameli i u membrani graničnih pitova. U većoj

koncentraciji nalazi se u staničnoj stijenci parenhimskih stanica unutarnje kore. Škrob je

osnovni rezervni polisaharid u drvu, nalazi se u obliku granula, a može se naći i u staničnoj

stijenci.

3.2 Lignin

Lignin je amorfni, visokokompleksni, najčešće aromatski trodimenzionalni polimer izgrađenih

od fenilpropanskih jedinica, a njegova osnovna uloga je povećanje krutosti i stabilnosti stanične

stijenke. Njegova struktura se može jako razlikovati od vrste do vrste drva, kao i njegov udio u

suhoj drvnoj tvari. Kod četinjača lignina može biti između 25 i 35 %, a kod listača između 18 i

25 %. Raspored lignina kroz središnju lamelu i slojeve stanične stijenke bora prikazan je na

slici 3.2.

Slika 3.2 – Maseni udjeli (%) i raspored celuloze, hemiceluloze i lignina u

staničnoj stijenci bora, [4]

3.3 Ekstrahirane tvari

Kako im i samo ime govori ekstrahirane tvari u drvu su prirodni produkti nastali ekstrakcijom

iz biljnih sokova. Identificirano je na stotine različitih ekstraktiva, nekima je uloga poznata, a

za neke se ne zna čemu služe. Neki ekstraktivi nastaju kao reakcija drva na različita mehanička

i druga oštećenja, a neki su prekursori za druge kemijske tvari. Ekstraktivi iz drva nalaze

21

primjenu u medicini, farmaciji i drugdje. Smola nekih četinjača se kroz povijest koristila kao

izvrsno sredstvo za impregnaciju čamaca i drugih plovila, za baklje i u druge namjene.

Ekstrahirane tvari su uglavnom koncentrirane u srževini, a kod četinjače ih je puno više nego

kod listača. Također ih ima u kori. Sastoje se masti, masnih kiselina, fenola, terpentina, smola,

smolnih kiselina, voska i drugih manje ili više organskih tvari. O vrsti i količini ekstrahiranih

tvari ovisi boja, miris i trajnost drva.

3.4 Anorganske tvari u drvu

Udio anorganskih tvari u drvu određuje se mjerenjem mase pepela koji preostane nakon

izgaranja drva na temperaturi od 575 ± 25 °C. Pepeo se sastoji od mineralnih soli i drugih

anorganskih tvari, a njihov udio je manji od 0,5 % kod većine vrsta. Oko 80 % pepela čine

kalcij, magnezij i kalij, a osim njih prisutni su Na, Si, B, Mn, Fe, Mo, Cu, Zn, Ag, Al i mnogi

drugi. Apsorbirani su u obliku iona iz tla te preko korijena, debla i grana dospjeli u sve dijelove

biljke. Neki od njih imaju važnu ulogu tijekom rasta drva, [4].

22

4 VODA U DRVU

U živom drvu vode ima dovoljno da drvo održi elastičnim da može izdržati vanjska naprezanja

poput udara vjetra i slično. Tehničko drvo je mrtvo i primjenjuje se u suhom stanju. Drvo je

higroskopan materijal i upija vlagu iz zraka. S promjenom količine vlage u drvu mijenjaju se

njegove dimenzije, mehanička, toplinska i druga svojstva.

Uz sadržaj vlage u drvu vežu se pojmovi provelo drvo, zrakosuho drvo, sobosuho drvo i

standardno suho drvo. U provelom drvu je sadržaj vode od 22-40 % (prosjek 28 %) i poklapa

se sa stanjem zasićenosti vlakanaca.

Sadržaj vode u zrakosuhom drvu je od 12-18 %, a u sobosuhom od 8-12 %. U standardno suhom

drvu sadržaj vlage je oko 0 %, a postiže se sušenjem u peći pri temperaturi od 103 ± 2 °C do

konstantne mase, [7]. Sadržaj vlage ne može biti jednak nuli, uvijek postoji mali udio vlage koji

nije moguće do kraja odstraniti.

4.1 Sadržaj vlage u živom drvu

Vlaga u drvu može biti slobodna i vezana. Slobodna se nalazi u lumenu, a vezana se nalazi

unutar stanične stijenke.

Vezana voda koja se nalazi unutar stanične stijenke može biti:

- konstitucijska – povezana s organskom prirodom stanične stijenke i ne može se

odstraniti bez promjene kemijskog sastava drva.

- površinski vezana – vezana je na OH-skupine celuloznih makromolekula u obliku

filma (debljina barem jedne molekule), a može se odstraniti fizikalnim putem.

- kapilarno kondenzirana – nalazi se u šupljinicama u staničnoj stijenci a nastala je

apsorpcijom vlage kapilarnim silama. Ovo se događa ako je sadržaj vlage u staničnoj

stijenci manji od sadržaja koji odgovara higroskopskoj ravnoteži. U suprotnom, dolazi

do isparavanja (desorpcije) vode. Higroskopska ravnoteža ovisi o parcijalnom tlaku

vodene pare, [7].

Slobodna i vezana voda zajedno čine ukupnu vlagu u živom drvu. Sadržaj vlage varira od vrste

do vrste drva, a ovisi o gustoći drva. Gustoća drva je u obrnutom razmjeru s poroznošću drva.

Što je veća gustoća drva, to je manji volumen pora i obratno. Specifična gustoća drvne tvari je

gustoća stanične stijenke, ista je za sve vrste drva i iznosi 1,53 g/cm3 .

Sadržaj vlage u živom drvu određuje se gravimetrijski i računa kao standardni sadržaj vlage u

drvu prema izrazu:

𝑤 =𝑚1−𝑚2

𝑚2∗ 100 u %,

pri čemu je

w – sadržaj vlage u drvu, %

m1 – masa drva kod nekog sadržaja vlage, g

m2 – masa drva u apsolutno suhom stanju, g.

23

Sadržaj vlage izražava se u % i zaokružuje na 1 %.

Prema navedenom izrazu može se izračunati i maksimalni udio vlage u drvu ako je poznata

gustoća drva. Kako se gustoća domaćih vrsta nalazi između 0,3 i 0,9 g/cm3 to će maksimalni

udio vlage biti između 267 (za gustoću 0,3 g/cm3) i 44 % (za gustoću 0,9 g/cm3).

Osim vrste, na gustoću znatno utječu građa drva, pozicija u stablu, stanište, položaj u

sastojini, starost stabla, udjeli celuloze, lignina i hemiceluloze, pozicija u godu (rani ili kasni

dio goda), širina goda i dr.

Ponekad se udio vlage u drvu izražava kao tehnički sadržaj vlage u drvu prema izrazu:

𝑤 =𝑚1−𝑚2

𝑚1∗ 100, u %,

gdje su m1 i m2 isti kao u prethodnom izrazu.

4.2 Točka zasićenja vlakanaca

Sušenjem posječenog drva i smanjenjem udjela vlage ne mijenja se njegov volumen sve dok se

ne dosegne točka zasićenja vlakanaca ili stanje zasićenosti žice. Točka zasićenja vlakanaca je

granica između slobodne i vezane vode, a definira se kao sadržaj vlage u staničnoj stijenci pri

kojem nema slobodne vode u lumenu, a stanična stijenka je potpuno zasićena vodom. Točka

zasićenja ovisi o vrsti drva, a raspon vrijednosti domaćih vrsta je između 22 i 40 % (prosjek 28

%), [7]. Ako se udio vlage u drvu smanji ispod točke zasićenja vlakanaca doći će do smanjenja

volumena – drvo se uteže. Kako je drvo anizitropan materijal, utezanje neće biti jednako u sva

tri glavna smjera (longitudinalnom, radijalnom i tangencijalnom).

Na slici 4.1 prikazan je poprečni presjek debla i promjene dimenzija i oblika pri sušenju drva

ispod točke zasićenja vlakanaca. Utezanje drva pri sušenju ovisi o vrsti drva, gustoći, brzini

sušenja, veličini, obliku i položaju u odnosu na godove. Najmanje je utezanje u

longitudinalnom, a najveće u tangencijalnom smjeru. Kod većine vrsta longitudinalno utezanje

je manje od 0,2 %, radijalno ne prelazi 6 %, tangencijalno je do 10 %, a volumno utezanje nije

veće od 15 %.

Slika 4.1 – Utezanje i distorzija drva pri sušenju, [4]

24

Ako se drvo dulje vrijeme nalazi u uvjetima iste relativne vlažnosti njegov ravnotežni udio

vlage se povisuje. Za manje komade drva taj period je oko 14 dana, a većim komadima drva

treba i nekoliko tjedana. Sadržaj ekstraktiva i voska jako utječe na duljinu ovog perioda.

U tablici 4.1 prikazane su vrijednosti ravnotežnih udjela vlage u drvu za određenu vlažnost

zraka, za jednu četinjaču i jednu listaču.

Tablica 4.1 – Ravnotežni sadržaj vlage u ovisnosti o relativnoj vlažnosti zraka, [4]

Vrsta Relativna vlažnost zraka

30 % 65 % 80 % 90 %

Bor (Pinus) 5,8 12,0 16,3 21,7

Topola

(Populus tremuloides) 4,9 11,1 15,6 21,5

Na slici 4.2 prikazana je sorpcijska izoterma za drvo smreke na 32 °C, [4]. Krivulje prikazuju

sadržaj vlage u drvu u odnosu na relativni tlak vodene pare (relativna vlažnost zraka/100).

Krivulja kod inicijalne desorpcije (D) ne poklapa se s krivuljom kod apsorpcije (A) niti s

krivuljom koja prikazuje sekundarno (i svako sljedeće) sušenje (D´). Ova razlika se definira

kao sorpcijska histereza drva. Omjer A/D je u rasponu od 0,8 do 0,9 ovisno o vrsti drva i

relativnoj vlažnosti zraka. U slučaju prikazanom na slici 26, pri vlažnosti zraka od 60 % razlika

u sadržaju vlage u drvu je 3 % (13 %-10 %), što može značajno utjecati na mehanička (i druga)

svojstva drva.

S porastom temperature ove krivulje se pomiču prema dolje pa se ravnotežni sadržaj vlage u

drvu uvijek definira za točno određenu temperaturu, slika 4.3.

Slika 4.2 – Sorpcija u drvu smreke, [8] Slika 4.3 – Utjecaj temperature na

sorpcijsku izotermu, [9]

25

4.3 Bubrenje i utezanje drva

Drvo je hidroskopan materijal i ako se standardno suho drvo ostavi na vlažnom zraku ili u vodi,

vlaga će vrlo brzo početi prodirati u staničnu stijenku. Volumen drva će zbog toga rasti

uglavnom proporcionalno s volumenom apsorbirane vode. Uobičajeni naziv za tu pojavu je

bubrenje drva. Kad se dosegne točka zasićenja vlakanaca, drvo i dalje apsorbira vodu koja

popunjava lumen (slobodna voda), ali volumen drva više ne raste i drvo više ne bubri. Ovaj

proces je reverzibilan. Drvo prvo gubi slobodnu vodu pri čemu se volumen drva ne smanjuje,

a onda i vezanu vodu pri čemu dolazi do smanjenja volumena. To smanjenje volumena zove se

utezanje drva. Volumno bubrenje i volumno utezanje ovise o gustoći drva u suhom stanju i

točki zasićenja vlakanaca. Ova dimenzijska nestabilnost vezana uz proces bubrenja i utezanja

predstavlja veliki nedostatak i ograničava primjenu drva u mnogim područjima.

Svi sastavni dijelovi stanične stijenke (celuloza, hemiceluloza i lignin) su hidroskopne tvari. Na

slici 4.4, iz prikazanih izotermnih krivulja može se vidjeti da najvišu hidroskopnost ima

hemiceluloza, a najnižu lignin.

Slika 4.4 – Sorpcijska izoterma za drvo i drvne polimere, [9]

Tlačno naprezanje koje nastaje tijekom bubrenja može se izmjeriti, a teoretska vrijednost se

može izračunati preko vrijednosti osmotskog tlaka i iznosi 158 N/mm2. Izmjerene vrijednosti

su uvijek manje zbog različitih faktora.

Najbolji primjer primjene tlaka bubrenja u praksi vidi se kod starih Egipćana koji su njime

lomili granitno kamenje, slika 4.5. U utore širine 15 cm, visine 5 cm i dubine 10 mm stavljali

su komade drva približnih dimenzija i natapali ih vodom. Tlak bubrenja bio je dovoljan da

prelomi granitne blokove.

Opetovano sušenje i vlaženje drva povećava bubrenje kao i tlak bubrenja.

26

Slika 4.5 - Cijepanje granitnog kamena uz pomoć tlaka bubrenja, [4]

Bubrenje je osobito neugodna pojava kod drvnih kompozita. Puno je jače izraženo nego kod

punog drva zbog kompresije drvnog tkiva tjekom postupka proizvodnje. Zbog istog razloga je

bubrenje je kod kompozita ireverzibilan proces – nema utezanja ako se smanjuje udio vlage

ispod točke zasićenja vlakanaca.

4.4 Utjecaj bubrenja na svojstva

Promjene u sadržaju vlage u drvu imaju veliki utjecaj na različita svojstva drva. Porast vlage

unutar stanične stijenke utječe negativno na vibracijska i akustična svojstva drva koja su u uskoj

vezi s modulom elastičnosti i kohezivnom silom između celuloze, hemiceluloze i lignina unutar

stanične stijenke. S porastom vlage gubi se kvaliteta zvuka, jasnoća i boja tonova.

Biološka svojstva drva su također u uskoj vezi sa sadržajem vlage. Opće je poznata činjenica

da suho drvo ne trune. Ako je sadržaj vlage u drvu ispod točke zasićenja vlakanaca, ono je

potpuno otporno na djelovanje gljivica i drugih bioloških agenasa. Poznati su primjeri i po

desetak tisuća godina starog drva izvrsno očuvanog u suhom okolišu. Termiti su jedini živi

organizmi koji mogu donijeti vlagu sa sobom te razoriti i potpuno suho drvo.

Toplinska i električna vodljivost suhog drva je vrlo niska, a s povećanjem udjela vlage rastu i

toplinska i osobito električna vodljivost.

Na mehanička svojstva drva jako utječu promjene u udjelu vlage do točke zasićenja vlakanaca.

Udio vlage iznad točke zasićenja vlakanaca neznatno mijenja mehanička svojstva.

27

5 BIOLOŠKA DEGRADACIJA DRVA

Drvo je prirodan, biološki, a time i biorazgradiv materijal. Ako drvo i drvni proizvodi u

prirodnom okolišu nisu prikladno zaštićeni, zbog djelovanja različitih živih organizama,

izloženi su postepenom propadanju i dezintegraciji. Pritom temperatura i vlaga imaju ključnu

ulogu. Najčešći uzročnici propadanja drva su bakterije, plijesni, gljive, kukci i različiti vodeni

(osobito morski) organizmi.

Stijenka drvnih stanica izgrađena je od ugljikohidratnih polimera – celuloze i hemiceluloze te

lignina. Osim toga u drvnom tkivu nalaze se i druge organske i anorganske tvari (monosaharidi,

disaharidi, aromatske tvari, smola, vosak i dr.).

Na makroskopskoj razini, postoji značajna razlika između bjeljike i srževine. Bjeljika je vanjski

sloj drva, a sastoji se od stanica koje su tjekom rasta drva aktivne i u kojima se pohranjuju

različiti šećeri, aminokiseline i bjelančevine. Nabrojane tvari predstavljaju izvanredan izvor

hrane za bakterije, gljivice, plijesni i kukce, koji hraneći se degradiraju i uništavaju drvno tkivo.

Srževina je zaštićenija samim tim što se nalazi dublje u drvnom valjku, a i po sastavu se

razlikuje od bjeljike pa je manje izložena prirodnom propadanju. Srževina nekih vrsta drva

sadrži fenolne produkte (tanine) koji ih čine otpornijim na bakterije i gljivice. Ipak kroz dulje

vrijeme, u neprikladnim okolišnim uvjetima dolazi do propadanja.

Norma HRN EN 350-2 razvrstava sve vrste drva prema prirodnoj trajnosti u nekoliko

kategorija, [10].

Prema prirodnoj trajnosti prema gljivicama vrste drva su razvrstane u pet kategorija:

1 – vrlo otporne

2 – otporne

3 – srednje otporne

4 – slabo otporne

5 – neotporne

Prema opornosti na neke vrste kukaca koji napadaju drvo sve vrste drva su svrstane u dvije

skupine:

- otporne

- neotporne

Prema otpornosti na termite i morske organizme, vrste drva mogu biti:

- otporne

- srednje otporne

- neotporne

Ova ocjena otpornosti odnosi se samo na srževinu, dok je bjeljika svih vrsta drva neotporna na

djelovanje termita i morskih organizama. Također se pojam otporne ne može poistovijetiti s

pojmom potpuno otporne.

U vrlo otporne domaće vrste mogu se ubrojiti bagrem, kesten i hrast. U otporne se ubrajaju bor,

jela, smreka, i jasen, a slabo otporne su topola, bukva i lipa.

Trajnost drva ovisi i o uvjetima eksploatacije, tablica 5.1.

28

Tablica 5.1 – Prirodna trajnost (u godinama) domaćih vrsta u različitim uvjetima, [10]

Vrsta drva Nezaštićen prostor Natkriveni prostor Suhi prostori (T≈konst.)

jela do 50 do 50 do 900

bor do 85 do 120 do 1000

smreka do 70 do 70 do 900

hrast do 100 do 200 do 800

bukva do 60 do 100 do 800

5.1 Bakterije

Bakterije su jednostanični organizmi i najbrojnija su skupina organizama na Zemlji. Prisutne

su u vodi (slatkoj i slanoj), u tlu i iznad tla, a kroz dulji vremenski period mogu degradirati drvo

koje je zasićeno vlagom. Na početku nema promjene mehaničkih svojstava, ali s duljim

trajanjem „napada“ svojstva drva postaju sve lošija. Općenito vrijedi da je bjeljika osjetljivija

na djelovanje bakterija od srževine i da je rano drvo osjetljivije od kasnog.

Postoji puno različitih rodova bakterija koje napadaju drvo, neke su aerobne, a neke anaerobne.

Bakterije uglavnom napadaju celuloznu tvar polazeći od amorfnih zona, ali postoje rodovi koji

rastaču hemicelulozu pa čak i lignin.

U odnosu na druge uzročnike propadanja drva, bakterije su najmanje agresivne, [11].

5.2 Plijesni i gljivice

Plijesan (eng. mould) je skupni naziv za mikroskopske gljivice koje rastu na površini drva u

obliku kolonija međusobno povezanih i umreženih hifa koje tvore micelij. Micelij izlučuje

enzime koji razlažu složene organske tvari u jednostavne šećere, što je izvrsna hrana za gljive.

Postoji nekoliko desetina tisuća vrsta plijesni, neke od njih koloniziraju drvo, a ovisno o vrsti,

mogu biti u različitim nijansama zelene, plave i žute boje, crne ili sive. Boja potječe od spora,

stanica kojima se plijesni razmnožavaju. Plijesni uglavnom rastu na bjeljiki, ne prodiru duboko

u drvo i ne razaraju njegovu strukturu ali ostavljaju ružne mrlje na površini i smanjuju

vrijednost drvnih proizvoda. Kod četinjača se mrlje od plijesni, a i sama plijesan, mogu

relativno lako ukloniti brušenjem ili blanjanjem. Kod listača, čije su pore znatno veće od

traheida u četinjača, hife prodiru dublje i mrlje se ne mogu tako jednostavno ukloniti.

Na slici 5.1 vidi se razlika između površine drva bez plijesni i površine koja je obrasla

plijesnima, [12].

29

Slika 5.1 - Drvo bez plijesni (lijevo) i površina obrasla plijesnima (desno), [12]

Gljivice (eng. stain fungi) prodiru dublje u drvno tkivo i ne mogu se ukloniti brušenjem ili

blanjanjem. Ostavljaju najčešće plave, zelene, crne ili smeđe mrlje na površini, a ponekad i

crvene, ljubičaste ili žute. Mrlje nastaju zbog pigmentiranih tvari u hifama i sporama, značajno

smanjuju vrijednost drvu ali je u prošlosti bilo i drugačijih primjera. Umjetnici koji su izrađivali

intarzije u 15. i 16. stoljeću vrlo su cijenili zelenu boju koju su ostavljale gljivice Chlorociboria

i koristili su je za prikazivanje zelenih detalja iz prirode. Ovakve boje nisu osjetljive na svjetlo

i traju puno godina. Istraživanja su pokazala da se u takvim komadima drva još nalaze ostaci

hifa, [13].

Na slici 5.2 vide se gljivice koje ostavljaju intenzivnu plavo-zelenu boju na površini drva.

Slika 5.2 - Gljivice Chlorociboria na

površini drva, [14]

Slika 5.3 - Gljivice na poprečnom

presjeku drva, [15]

Kad spore padnu na površinu drva, ako su okolni uvjeti povoljni, vrlo brzo će proklijati i iz njih

će se razviti nove hife. Hife rasu brzo, od 0,1 do čak 6 mm/h, ovisno o vlazi, pH-faktoru,

temperaturi i vrsti podloge. Hife prodiru u drvo, uzimaju iz drvne tvari bjelančevine i

jednostavne šećere, prerađuju ih i pritom oslobađaju svoje izlučevine. Najčešće prvo razaraju

parenhimske stanice, a zatim traheide, traheje i vlakna. Na slici 5.3 vidi se klinasti oblik uzorka

mrlja i smjer napredovanja gljivica na poprečnom presjeku drva, [14].

Gljivice uzrokuju pad žilavosti dok se čvrstoća znatnije ne mijenja. Gljivice također uzrokuju

povećanje apsorpcijske sposobnosti drva te količinu vlage u drvu, s čime se povećava

osjetljivost drva na druge nametnike.

30

Ako su uvjeti povoljni gljivice i plijesni naselit će se na deblo vrlo brzo nakon što je drvo

posječeno. Da bi se to izbjeglo, drvo se treba sušiti dok sadržaj vlage u njemu ne padne ispod

20 % ili ga treba tretirati fungicidima.

5.3 Gljive Gljive stapčarke razgrađuju drvnu tvar, koriste drvo kao hranu i uzrokuju trulež drva, slika 5.4.

Napadaju primarne sastojke stanične stijenke, mijenjaju boju, mehanička, fizikalna i kemijska

svojstva drva. Ovisno o vrsti gljivica boja se može mijenjati od svijetle do tamne.

Slika 5.4 - Gljive stapčarke na panju javora

Gljivicama za život, rast i razmnožavanje trebaju hrana (celuloza, hemiceluloza i lignin), zrak

(kisik), temperatura između 10 i 35 °C (optimalno između 24 i 32 °C) te vlaga u drvu iznad

točke zasićenja vlakanaca (oko 30 %). Ako je vlaga ispod 20 % gljive se neće razviti osim u

slučaju takozvane suhe truleži koju uzrokuju gljive sposobne da same unesu količinu vlage

potrebnu za život i rast. Gljive ne mogu rasti ni u okruženju s previše vlage jer im onda za život

nedostaje kisik, [4].

Gljive smanjuju čvrstoću i osobito žilavost drva. Na oštećenom drvu pojavljuju se pukotine u

longitudinalnom i transferzalnom smjeru. Na drvu koje je napadnuto gljivama jako degradiraju

akustična svojstva.

Gljive koje napadaju drvo mogu se podijeliti u tri skupine:

- gljive koje izazivaju smeđu trulež

- gljive koje izazivaju bijelu trulež

- gljive koje izazivaju meku trulež.

Hife gljiva koje uzrokuju smeđu trulež prodiru duboko u tkivo drva, oslobađaju enzime koji

razaraju polisaharide (celulozu i hemicelulozu) te u staničnoj stijenci ostaje samo modificirani

lignin. Drvo poprima smeđu boju, lako puca i raspada se u male čestice. Optimalna količina

vlage u drvu za razvoj gljiva koje uzrokuju smeđu trulež je između 40 i 80 %. Smeđa trulež se

češće pojavljuje kod četinjača, ali ni listače nisu pošteđene.

31

Bijelu trulež uzrokuju hife određenih vrsta gljiva koje prodiru u drvne stanice i erodiraju sve

slojeve stanične stijenke. Uništavaju celulozu, hemicelulozu i lignin, češće koloniziraju listače

ali napadaju i četinjače. Na napadnutom drvu se vide šarene mrlje ili potpuno izbijeljena

područja. Optimalna vlažnost za život i rast ovih gljiva je između 40 i 100 %. Neke vrste gljiva

koje uzrokuju bijelu trulež potpuno degradiraju celulozu, a neke selektivno uništavaju lignin iz

stanične stijenke i iz središnje lamele. U stanicama preostaje samo celuloza, a bez lignina u

središnjoj lameli stanice se odvajaju jedne od drugih i drvo se raspada.

Gljivice koje uzrokuju meku trulež je na početku koloniziraju površinske dijelove drva, a s

vremenom prodiru i dublje u drvo. Hife prodiru u unutrašnjost stanica i penetriraju u staničnu

stijenku gdje potpuno degradiraju celulozu i hemicelulozu, a do određene mjere modificiraju i

lignin. Degradacija napreduje od lumena prema središnjoj lameli, a u poodmakloj fazi napada

od drvnog tkiva ostaje samo visokolignificirani „kostur“.

Meka trulež obično nastaje na mjestima gdje su uvjeti za život i rast drugih gljiva nepovoljni

(previše ili premalo vlage). Značajnije smanjenje čvrstoće javlja se u uznapredovalim fazama

razvoja meke truleži.

5.4 Kukci

Kukci su najveći štetnici koji napadaju i uništavaju drvo i drvne proizvode. Kukci se hrane

drvom, ono im služi kao sklonište i u njemu se razmnožavaju. Neke vrste kukaca napadaju živa

stabla, neki neobrađeni drvni materijal, a neki gotove proizvode i ugrađeno drvo. Neki napadaju

samo vlažno drvo, a neke vrste samo suho ili prosušeno drvo.

a – crvotočina [16] b – termiti [17] c – mravi [18] d – potkornjaci [19]

Slika 5.5 - Oštećenja u drvu nastala djelovanjem različitih kukaca

Tijekom svog razvoja kukci prolaze kroz nekoliko faza. Iz jajašaca, koje odrasle ženke polažu

na površinu ili u već postojeće rupe u drvu, razviju se larve koje prelaze u kukuljice iz kojih

izlaze odrasli kukci. Najviše štete kukci nanesu dok su u stadiju ličinke. Ličinke se hrane drvom

bušeći hodnike sve dok se ne zakukulje. Prema obliku, veličini, boji, smjeru i sadržaju hodnika

te prema izgledu i veličini izlaznih rupa mogu se identificirati kukci koji su napali drvo.

Određeni kukci napadaju samo pojedine vrste drva.

Na slici 5.5 prikazana su oštećenja nastala djelovanjem kukaca.

Najčešće vrste koje uništavaju drvo pripadaju redu kornjaša ili tvrdokrilaca (Coleoptera) i redu

termita ili istokrilaša (Isoptera). I neke vrste mrava koloniziraju drvo, ali im ono ne služi za

hranu već kao skrovište u kojem žive i razmnožavaju se.

32

5.5 Morski organizmi

Drvo koje je potopljeno u morskoj (slanoj ili boćatoj) vodi mogu napasti različiti morski

štetnici. Najčešće su to vrste iz porodice školjki svrdlašica (Teredinidae) i vrste račića

jednakonožaca (Limnoria). Oštećenja koja izazivaju, mogu dovesti do velikih havarija.

Na slici 5.6 prikazan je brodotočac ili morski crv (Teredo navalis) i oštećenja koja izaziva u

drvu.

a - brodotočac (Teredo navalis) [20] b – oštećeno drvo [21]

Slika 5.6 - Brodotočac (Teredo navalis) i oštećenja koja izaziva u drvu.

5.6 Prevencija i zaštita drva

Kako bi se zaštitilo od biološkog propadanja, drvo se tretira (impregnira) različitim kemijskim

sredstvima koja ga čine znatno otpornijim na djelovanje različitih bioloških razarača. Te tvari

se unose u drvo različitim postupcima koji mogu ili ne moraju uključivati povišeni tlak. Većima

tih sredstava može biti otrovna i za ljude pa se kod njihove primjene o tome mora voditi računa.

Razvoj suvremenih tehnika zaštite drva započeo je u prvoj polovici 19. stoljeća i od tada se

stalno razvijaju nova sredstva i postupci zaštite.

Dubina prodiranja i retencija zaštitnih sredstava ovisi o vrsti drva i odnosu između bjeljike i

srževine. Bjeljika je puno permeabilnija i lakše upija zaštitna sredstva od srževine. Kemijski

modificirano drvo ima strukturu koja je puno otpornija na biološko propadanje, a povećava i

dimenzijsku stabilnost drva u vlažnom okruženju.

Sredstva za zaštitu se dijele prema tome da li su topiva u ulju ili vodi.

Stupanj zaštite ovisi o toksičnosti sredstva za zaštitu, njihovoj trajnosti, retenciji i dubini

prodiranja.

33

6 TOPLINSKA SVOJSTVA DRVA

Iako se na prvi pogled čini vrlo neobičnom, tvrdnja da drvo ne gori je zapravo točna. Ako se

drvo izloži djelovanju dovoljno visoke temperature iz njega počinju hlapiti tvari koje u dodiru

s otvorenim plamenom gore. Dakle, ne gori drvo već plinovi koji pri visokoj temperaturi

isparavaju iz drva, [4].

Lignocelulozna tvar od koje je sačinjeno drvo degradira pri povišenoj temperturi na dva načina:

- na temperaturi do 300 °C pucaju i nestaju unutarnje primarne veze što rezultira

nastankom plinova koji hlape iz drva i izgaraju u plamenu.

- na temperaturi iznad 300 °C cijepaju se sekundarne veze što dovodi do karbonizacije

(pougljenjenja) ostatka drvnog tkiva.

Toplinska svojstva drva mogu se odrediti postupkom termogravimetrijske analize. Tijekom

procesa pirolize drvo se postepeno zagrijava u peći u zaštitnoj atmosferi dušika na temperaturu

od 500 do 600 °C. Tijekom zagrijavanja mjeri se gubitak mase u postocima. Nakon toga

temperatura u peći se spusti na oko 300 °C, u peć se pusti zrak i uz postepeno zagrijavanje

izgara drveni ugljen, čvrsti ostatak nakon pirolize drva.

Na slici 6.1 prikazana je termogravimetrijska analiza drva hrasta, čiste celuloze i lignina.

Slika 6.1 – Rezultati termogravimetrijske analize drva hrasta, čiste celuloze i lignina [22]

Termalna degradacija drva počinje na oko 250 °C. Na temperaturi između 300 i 375 °C većina

ugljikohidratnih polimera je uništena, preostao je jedino lignin. Raspad hemiceluloze započinje

na oko 225 °C, a završava na 325 °C. Celuloza je dosta otpornija na toplinsku degradaciju i

stabilna je sve do oko 370 °C. Na toj temperatuzi započinje njezin raspad i završava u vrlo

kratkom temperaturnom intervalu. Lignin se počinje raspadati već na oko 200 °C ali , u

usporedbi s ugljikohidratnim polimerima, njegov raspad s porastom temperature teče puno

sporije.

Tijekom izgaranja drva dolazi do kemijske razgradnje drva, nastanka hlapivih, zapaljivih

plinova i pougljenja drva (nastanak drvenog ugljena).

34

Grijanjem do 100 C, drvo se isušuje, a vlaga iz drva izlazi u obliku vodene pare kroz pore i

napukline. Iako se toplina dovodi, temperatura ne raste dok vlaga potpuno ne ispari. Smanjuju

se čvrstoća i krutost drva. Daljnjim grijanjem, između 150 i 200 C nastaju plinovi u kojima

prevladava nezapaljivi ugljični dioksid (oko 70%), a ostatak čini zapaljivi ugljični monoksid

(oko 30%). Na temperaturama iznad 200 C smanjuje se udio CO2, a raste količina zapaljivih

plinova.

Pri temperaturi između 340 i 430 C dolazi do samozapaljenja plinova, a to se može dogoditi i

pri puno nižoj temperaturi (oko 150 C) ako se drvo grije kroz dulje vrijeme. Izgaranjem se na

površini drva stvara pougljeneni sloj koji igra važnu ulogu u daljnjem procesu izgaranja. Taj

sloj štiti unutarnju masu drva od toplinskog razaranja. Zaštita nije potpuna zbog njegove

morfologije (duboke brazde i istake) pa se izmjena plinova između okoline i površine gorućeg

materijala ipak odvija.

Ispod sloja ugljena nalazi se pirolizirani sloj drva (debljine oko 5 mm) gdje je drvna tvar

kemijski promijenjena, ali ne i potpuno razgrađena. Ispod piroliziranog sloja nalazi se

temperaturom nepromijenjen dio presjeka u kojem su mehanička i ostala svojstva ostala ista,

slika 6.2.

Slika 6.2 – Slojevi nastali pri izgaranju drva, [23]

U trenutku zapaljenja plinova površinska temperatura naglo raste i iznad 500 C, stvaranje

hlapivih plinova znatno je manje, a povećava se debljina pougljenjenog sloja. Toplinska

vodljivost drvenog ugljena je dosta niska. U prosjeku iznosi 60 % vrijednosti toplinske

vodljivosti drva okomito na vlakanca i manje od 50 % u smjeru paralelno s vlakancima, tablica

6.1.

Zbog toga sloj ugljena štiti podpovršinsku masu i predstavlja svojevrsni izolacijski sloj koji

usporava razgradnju dubljih slojeva presjeka. S porastom temperature raste i specifični

toplinski kapacitet pa sloj ugljena štiti nezapaljenu tvar ispod sebe čak i u fazi sagorijevanja s

usijanjem.

Toplinska vodljivost drva i drugih tehničkih materijala prikazana je u tablici 6.2. Iz prikazanih

vrijednosti vidi se da drvo u prosjeku pruža višestruko veći otpor prolazu topline od drugih

materijala.

35

Tablica 6.1 - Toplinska vodljivost i srednji specif. topl. kapacitet drva i drvenog ugljena, [24]

Gustoća

g/cm3

Toplinska vodljivost

W/(m·K)

Specifični toplinski kapacitet

kJ/(kg·K)

Ugljen ‖ s vlakancima

0,28 0,15

0,963 ┴ na vlakanca 0,10

Drvo ‖ s vlakancima

0,45 0,38

1,34 – 2,01 ┴ na vlakanca 0,15

Tablica 6.2 - Usporedne vrijednosti toplinske vodljivosti drva i drugih materijala, [24]

Materijal četinjače listače opeka beton čelik aluminij

Koef. topl. vodljivosti, W/(m·K) 0,13 0,17 0,75 1,5 45 237

Kako se drvo ponaša u požaru vrlo upečatljivo pokazuje fotografija snimljena nakon velikog

požara u postrojenju za preradu mlijeka, 1954. godine u Frankfurtu, slika 6.3. Čelični nosači su

djelovanjem visoke temperature potpuno deformirani i pali su na nagorjeli drveni nosač koji je

još dovoljno čvrst i nije pukao pod teretom čeličnih nosača.

Za razliku od metala kojima se pri povišenim temperaturama smanjuje nosivost i degradiraju

mehanička svojstva, drvu se smanjuje nosivi presjek. Zato se pri proračunu drvenih konstrukcija

za slučaj požara uzima u obzir samo temperaturom nepromijenjen dio presjeka, odnosno

preostali presjek ispod sloja pougljenjenja u kojem su mehanička svojstva nepromijenjena, [24].

Slika 6.3 – Drveni i čelični nosači nakon požara u Frankfurtu, 1954. godine, [4]

Svojstava zapaljivosti ovise o vrsti drva, gustoći, sadržaju vlage te o odnosu ploštine i volumena

nosivih elementa. U odnosu na druge tehničke materijale drvo ima dosta dobra toplinska

36

svojstva i nisku opasnost od zapaljenja pa je primjena neobrađenog drva dopuštena u gotovo

svim zemljama.

Zapaljivost drva može se smanjiti impregnacijom, nanošenjem različitih zaštitnih slojeva i/ili

nekim pasivnim mjerama zaštite.

Sva sredstva kojima se povećava otpornost drva prema zapaljenju mogu se podjeliti prema

načinu djelovanja u nekoliko skupina.

- Sredstva kojima se promiče stvaranje pougljenjenog sloja na nižoj temperaturi

Povećanjem količine pougljenjenog drva reducira se količina hlapivih, lako zapaljivih plinova

i snižava temperatura početka procesa pirolize. Na slici 6.4 prikazani su rezultati

termogravimetrijske analize netretiranog drva i drva tretiranog različitim anorganskim

sredstvima koja se ubrajaju u ovu skupinu.

Slika 6.4 - Rezultati termogravimetrijske analize netretiranog i tretiranog drva, [4]

- Sredstva koja formiraju zaštitnu prevlaku na površini drva

- Sredstva koja povećavaju toplinsku vodljivost drva

- Sredstva kojima se razrijeđuju gorivi plinovi koji na dovoljno visokoj temperaturi hlape iz

drva s plinovima koji ne gore

- Sredstva kojima se reducira količina topline oslobođena gorenjem hlapivih plinova

37

7 MEHANIČKA SVOJSTVA DRVA

Proučavanjem svojstava drva bavi se disciplina Tehnička svojstva drva. To su fizikalna,

kemijska, fizikalno-kemijska, termička, električna, akustična, optička i mehanička svojstva

drva.

Drvo je prirodan materijal, a za sve prirodne materijale karakteristična je velika varijabilnost

svojstava. Mehanička svojstva različitih vrsta drva mogu se međusobno jako razlikovati, a

velika varijabilnost postoji i unutar iste vrste, pa čak i unutar iste jedinke (stabla).

Drvo je izrazito ortotropan materijal i ima jedinstvena i neovisna svojstva u smjeru triju

međusobno okomitih osi: longitudinalnoj (L), radijalnoj (R) i tangencijalnoj (T).

Longitudinalna os je paralelna s vlakancima (i s glavnom osi debla), radijalna os je okomita na

godove i okomita na vlakanca, a tangencijalna os je okomita na vlakanca i „tangira“ zakrivljene

linije godova. Položaj ovih triju osnovnih osi u odnosu na smjer vlakanaca i smjer godova,

prikazan je na slici 7.1.

Slika 7.1 – Tri osnovne osi drva

7.1 Modul elastičnosti

Modul elastičnosti je vrlo važno i jedno od najčešće određivanih mehaničkih svojstva drva.

Općenito, predstavlja otpor nekog materijala prema elastičnoj deformaciji, a ovisi o jakosti veza

između atoma tj. o građi materijala. Vrijednosti modula elastičnosti za različite vrste drva dosta

se razlikuju, a velika su rasipanja i unutar iste vrste drva. Osim što ovisi o strukturi, modul

elastičnosti ovisi i o vanjskim uvjetima – udjelu vlage, temperaturi, kemijskom tretmanu i

načinu opterećenja.

Vrijednost modula elastičnosti jako ovisi i o usmjerenosti mikrostrukture, odnosno o položaju

ispitnog uzorka u odnosu na tri glavne osi; L, R i T. Ako se određuje modul elastičnosti u

longitudinalnom pravcu (EL), vrijednosti su 10 do 20 puta više od modula elastičnosti u

radijalnoj (ER) i tangencijalnoj osi (ET). Prema nekim izvorima te razlike su još i veće – EL je

42 do 122 puta viši od ER i ET za četinjače, a 12 do 62 puta viši za listače, [25]. Modul

elastičnosti u radijalnoj osi je 1,5 do 6 puta viši od onoga u tangencijalnoj osi.

Također je poznato da na vrijednost modula elastičnosti u longitudinalnoj osi može utjecati kut

između sile i godova. Pri određivanju modula elastičnosti u longitudinalnom smjeru opterećenje

je okomito na vlakanca, a u odnosu na tijek godova može djelovati pod kutom od 0 do 90

stupnjeva.

38

Vrijednosti modula elastičnosti za drvo, u odnosu na druge tehničke materijale, prikazane su na

slici 7.2.

Slika 7.2 – Vrijednosti modula elastičnosti za osnovne skupine tehničkih materijala u GPa

[26]

Sve u vezi s određivanjem savojnog modula elastičnosti propisano je ISO ili EN normama.

Najčešće se u praksi savojni modul elastičnosti određuje standardnom metodom u tri točke,

kako je prikazano na slici 7.3.

Slika 7.3 - Određivanje savojnog modula elastičnosti metodom u tri točke

Vrijednost modula elastičnosti računa se prema izrazu:

E= 𝐿3(𝐹2−𝐹1)

4𝑏𝑡3(𝑎2−𝑎1) , N/mm2

gdje je:

L – razmak između oslonaca u mm

b – širina uzorka u mm

h – visina uzorka u mm

F2 – F1 - prirast sile u području gdje je ovisnost sila-progib linearna

F1≈0.1Fmax i F2≈0.1Fmax

39

Fmax – maksimalna sila u N

a2 – a1 – prirast progiba (odgovara razlici F2 – F1) , slika 7.4.

Slika 7.4 – Elastično (linearno) područje krivulje sila-progib

U tablici 7.1 prikazane su okvirne vrijednosti modula elastičnosti za neke vrste drva po

skupinama, a u tablici 7.2 modul elastičnosti za neke domaće vrste. Koliko se mogu razlikovati

vrijednosti za longitudinalni, tangencijalni i radijalni smjer kod iste vrste drva prikazano je u

tablici 7.3 na primjeru američke duglazije (Pseudotsuga menziesii). U navedenoj tablici vidi se

i razlika u vrijednostima modula elastičnosti za puno drvo te za rani i kasni dio goda.

Tablica 7.1 - Vrijednosti modula elastičnosti nekih vrsta drva (po skupinama), [27]

Modul elastičnosti u GPa (w=15 %, ϑ=1 do 20 °C)

Europske četinjače 8 ... 16

Američke četinjače 6 ... 17

Listače srednje gustoće 3 ...16,5

Listače velike gustoće 10 ... 19

Listače vrlo velike gustoće 11 ... 25

Tablica 7.2 - Vrijednosti modula elastičnosti nekih domaćih vrsta drva, [27]

Vrsta drva Modul elastičnosti u GPa

Hrast (lužnjak) 10,0 ... 11,7 ... 13,2

Jasen (obični) 4,4 ...13,4 ... 18,1

Bukva 10,0 ... 16,0 ... 18,0

Brijest 5,9 ... 11,0 ... 16,0

Orah (obični) 12,5

Bor (crni) 6,9 ... 12,0 ... 20,1

Smreka 7,3 ... 10,7 ... 21,4

Jela (obična) 6,6 ... 10,7 ... 17,2

Ariš 6,3 ... 13,8 ... 20,0

Čempres 9,8 ... 13,0 ... 16,0

40

Tablica 7.3 - Vrijednosti modula elastičnosti za američku duglaziju, [28]

puno drvo rani dio goda kasni dio goda

ET (N/mm2) 620 152 1215

ER (N/mm2) 960 566 1752

EL (N/mm2) 14500 10400 20700

Ono što drvo čini jako vrijednim u odnosu spram drugih tehničkih materijala jest izrazito

povoljan omjer između modula elastičnosti i gustoće, tzv. specifična krutost, slika 7.5.

Slika 7.5 – Specifična krutost drva i drugih tehničkih materijala, [29]

7.2 Poissonov omjer

Poissonov omjer, isto kao i modul elastičnosti te modul smika, opisuje elastična svojstva drva.

Definira se kao omjer poprečne i uzdužne deformacije pri aksijalnom opterećenju. Zbog

karakteristične građe drva, potrebno je 6 Poissonovih omjera da u potpunosti opiše elastično

ponašanje materijala: νLR, νRL, νLT, νTL, νRT i νTR. Prvo slovo u indeksu označava smjer

primijenjene sile, a drugo smjer poprečne deformacije.

Vrijednosti za Poissonove omjere ovise o udjelu vlage u drvu i o gustoći drva, mogu se jako

razlikovati od vrste do vrste, a moguća su veća rasipanja i unutar iste vrste.

41

7.3 Modul smika

Modul smika nekog materijala ukazuje na otpornost prema smičnom naprezanju. Kod drva se,

zbog anizotropne strukture, definiraju moduli smika u tri ravnine: GLR, GLT i GRT.

Kao i modul elastičnosti i modul smika varira između pojedinih vrsta drva, kao i unutar iste

vrste, a ovisi i o gustoći i udjelu vlage u drvu.

7.4 Savojna čvrstoća

Savojna čvrstoća drva je, uz tlačnu i smičnu čvrstoću, jedno od češće određivanih i važnijih

svojstava drva. Određuje se ili metodom savijanja u tri točke ili nekom drugom standardnom

metodom. Savojna sila djeluje na sredini između oslonaca, slika 6.3, pri čemu je gornja polovica

uzorka opterećena tlačno, donja vlačno, a sredina je neutralna. Ispitni uzorci se opterećuju do

loma. Važećim normama propisan je prirast sile u jedinici vremena, kao i svi drugi potrebni

detalji ispitivanja.

Savojna čvrstoća računa se prema izrazu:

𝑅𝑚𝑠 =3𝐹𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐿

2𝑏 ∙ ℎ2 , N/mm2

gdje su Fmax, L, b i h isto kao kod računanja modula elastičnosti.

Savojna čvrstoća važno je svojstvo za sve drvne konstrukcije u građevinarstvu, mostogradnji,

brodogradnji, proizvodnji namještaja i građevinske stolarije. U tablici 7.4 prikazane su

vrijednosti savojne čvrstoće nekih domaćih vrsta drva. Vrijednost savojne čvrstoće ovisi o

usmjerenosti strukture, najviša je u longitudinalnom smjeru, a kod nekih vrsta ovisi i o kutu

koji zatvaraju savojna sila i linije goda, slika 7.6 . Kod nekih vrsta drva najveće vrijednosti

savojne čvrstoće mjere se pri kutu od 0°, kod drugih pri kutu od 45°ili 90°, a kod nekih ovaj

kut nema utjecaja na vrijednost savojne čvrstoće.

Tablica 7.4 - Vrijednosti savojne čvrstoće nekih domaćih vrsta drva, [27]

Vrsta drva Savojna čvrstoća, N/mm2

Hrast (lužnjak) 74,0 ... 88,0 ... 105,0

Jasen (obični) 58,0 ...120,0 ... 210,0

Bukva 74,0 ... 123,0 ... 210,0

Brijest 56,0 ... 89,0 ... 260,0

Orah (obični) 99,0 ... 147,0 ... 178,0

Bor (obični) 41,0 ... 100,0 ... 206,0

Bor (crni) 69,0 ... 130,5 ... 198,5

Smreka 49,0 ... 78,0 ... 136,0

Jela (obična) 47,0 ... 73,0 ... 118,0

Ariš 64,0 ... 99,0 ... 132,0

42

Slika 7.6 – Položaj godova u odnosu na smjer savojne sile

7.5 Tlačna čvrstoća

Tlačna čvrstoća je najveće naprezanje koje se javlja na uzorku smještenom na horizontalnoj

podlozi kad na njega djeluje sila (okomita na podlogu) i nastoji ga stlačiti, slika 7.7.

Slika 7.7 – Shematski prikaz ispitivanja tlačne čvrstoće

I ovdje je važno razlikovati čvrstoću u smjeru vlakanaca i čvrstoću okomito na vlakanca. U

pravilu se ove vrijednosti jako razlikuju. Ako tlačna sila djeluje u smjeru u vlakanaca čvrstoća

je 3 do 10 puta veća od čvrstoće kad tlačna sila djeluje okomito na vlakanca. Tlačna čvrstoća

okomito na vlakanca važna je kod mnogih građevinskih konstrukcija kao i kod željezničkih

pragova.

Tlačna čvrstoća u smjeru vlakanaca upola je manja od vlačne čvrstoće u istom smjeru. Tlačna

čvrstoća četinjača u tangencijalnom smjeru iznosi samo oko 12,8 do 17,5 % od tlačne čvrstoće

u smjeru vlakanaca, a veća je za 8,5 do 10,5 % od tlačne čvrstoće u radijalnom smjeru. Kod

listača je tlačna čvrstoća u radijalnom smjeru oko 22,6 do 35,2 % od vrijednosti tlačne čvrstoće

u smjeru vlakanaca, a viša je od tlačne čvrstoće u tangencijalnom smjeru za 15,4 do 23,1 %.

Kod tlačnog opterećenja može doći do izvijanja, a neke vrste drva odlikuju se time da prije

nego dosegnu granicu izvijanja pucketaju. Na taj način upozoravaju na predstojeću opasnost od

loma što je izuzetno važno u građevinarstvu i rudarstvu. Pucketanje je izražajnije što je

temperatura viša i drvo suhlje. Vrste koje imaju izraženo ovo svojstvo su smreka, jela, ariš, bor,

bukva, grab, breza, hrast i bagrem.

U tablici 7.5 prikazane su vrijednosti savojne čvrstoće nekih domaćih vrsta drva.

43

Tablica 7.5 - Vrijednosti tlačne čvrstoće nekih domaćih vrsta drva, [27]

Vrsta drva Tlačna čvrstoća, N/mm2

Hrast (lužnjak) 54,0 ... 61,0 ... 67,0

Jasen (obični) 23,0 ...52,0 ... 80,0

Breza 38,0 ... 58,0 ... 100,0

Bukva 41,0 ... 62,0 ... 99,0

Brijest 37,0 ... 56,0 ... 73,0

Orah (obični) 46,5 ... 72,0 ... 89,0

Ariš 35,0 ... 47,0 ... 69,0

Bor (obični) 35,0 ... 55,0 ... 94,0

Smreka 35,0 ... 50,0 ... 79,0

Jela (obična) 31,0 ... 47,0 ... 59,0

7.6 Smična čvrstoća

Smično naprezanje javlja se kao rezultat paralelnog djelovanja dviju suprotnih (vlačnih ili

tlačnih) sila, slika 7.8. Te posmične sile određuju ravninu smicanja. Površina smicanja može

biti uzdužna (radijalna i tangencijalna), poprečna (frontalna) i dijagonalna. Kod uzdužnih

površina smjer djelovanja posmičnih sila može biti u smjeru vlakanaca ili okomito na vlakanca,

a kod frontalne površine smicanja sile mogu biti okomite na godove ili paralelne s godovima.

Smicajna čvrstoća okomito na vlakanca kod frontalne ravnine smicanja znatno je veća od

smicajne čvrstoće u smjeru vlakanaca.

Smicajna čvrstoća u smjeru vlakanaca u tangencijalnoj ravnini veća je za 15 do 35 % nego u

radijalnoj. Smična čvrstoća u smjeru vlakanaca kreće se u rasponu od 2,0 (drvo balse) do 16,0

N/mm2 (bagrem).

Vrijednosti smične čvrstoće u smjeru vlakanaca za četinjače kreće se u rasponu od 4,5 do 10,0

N/mm2, a za listače od 4,5 do 16,0 N/mm2. Egzotične vrste drva imaju smičnu čvrstoću u smjeru

vlakanaca, u rasponu od 2,0 do 15,0 N/mm2.

U tablici 7.6 date su vrijednosti smične čvrstoće nekih domaćih i egzotičnih vrsta drva.

44

Slika 7.8 – Shematski prikaz smičnog naprezanja

Smična čvrstoća računa se prema izrazu:

𝑅𝑚𝜏 =𝐹𝑚𝑎𝑥

𝑏 ∙ 𝑙 , N/mm2

gdje su:

Fmax - maksimalna sila u N,

b, l – dimenzije smicajne površine u mm.

Tablica 7.6 - Vrijednosti smične čvrstoće nekih vrsta drva, [27]

Vrsta drva Smična čvrstoća, N/mm2

Hrast 6,0 ... 11,0 ... 13,0

Jasen 9,0 ...13,0 ... 15,0

Bukva 6,5 ... 8,5 ... 19,0

Kesten (pitomi) 3,0 ... 8,0 ... 16,0

Lipa 4,0 ... 4,5 ... 6,0

Topola (crna) 4,0 ... 5,0 ... 6,0

Ariš 4,5 ... 9,0 ... 10,0

Bor (obični) 6,0 ... 10,0 ... 15,0

Smreka 4,0 ... 7,0 ... 12,0

Jela (obična) 4,0 ... 5,0 ... 6,0

Balsa 1,1

Bongosi 11,0 ... 15,0 ... 20,0

Hikori 12,0

Tik 9,0

7.7 Vlačna čvrstoća

Vlačna čvrstoća se definira kao omjer maksimalne postignute sile pri vlačnom opterećenju i

početnog presjeka ispitnog uzorka.

Računa se prema izrazu:

𝑅𝑚 =𝐹𝑚𝑎𝑥

𝐴, N/mm2

gdje su:

Fmax - maksimalna sila u N,

A – dimenzije početne površine u mm2.

45

Vrijednosti vlačne čvrstoće separiranih vlakanaca (traheida) kasnog drva četinjača kreću se od

352 do 1378 N/mm2, a separiranih vlakanaca (traheida) ranog drva od 190 do 1230 N/mm2.

Vlačna čvrstoća snopa beskonačnih molekula celuloze procjenjuje se na 8000 N/mm2.

Vlačna čvrstoća uzorka sastavljenog od neprekinutih paralelno poredanih glukozidnih lanaca

procjenjuje se na 10000 do 40000 N/mm2.

Vlačna čvrstoća u smjeru vlakanaca je puno veća od čvrstoće okomito na vlakanca.

Odnos između tih dviju čvrstoća u tangencijalnom i radijalnom smjeru za četinjače i listače,

prikazan je u tablici 7.7.

Tablica 7.7 – Odnos između vlačne čvrstoće okomito na smjer i u smjeru vlakanaca, [27]

tangencijalno radijalno

za četinjače 0,025 ... 0,030 0,040 ... 0,050

za listače 0,040 ... 0,065 0,070 ... 0,100

Tablica 7.8 – Vlačna čvrstoća nekih vrsta drva, [27]

Vrsta drva Vlačna čvrstoća, N/mm2

Hrast 50,0 ... 90,0 ... 180,0

Jasen 70,0 ...165,0 ... 293,0

Bukva 57,0 ... 135,0 ... 180,0

Grab 47,0 ... 135,0 ... 200,0

Vrba 27,0 ... 64,0 ... 100,0

Breza 35,0 ... 137,0 ... 270,0

Bagrem 100,0 ... 148,0 ... 185,0

Brijest 65,0 ... 80,0 ... 210,0

Ariš 107,0

Bor (obični) 35,0 ... 104,0 ... 196,0

Smreka 21,0 ... 90,0 ... 245,0

Jela (obična) 48,0 ... 84,0 ... 120,0

Duglazija 105,0

Bongosi 217,0

Hikori 152,0

Tik 95,0 ... 115,0 ... 155,0

Vrijednosti vlačne čvrstoće nekih vrsta drva prikazane su u tablici 7.8. Iako su vrijednosti dosta

visoke, ne mogu se u potpunosti iskoristiti jer u praksi skoro nikad nemamo slučaj isključivo

vlačnog naprezanja. U kombinaciji s vlačnim javlja se smično naprezanje, a kako smična

46

čvrstoća iznosi svega 6 do 10 % od vlačne čvrstoće, dozvoljeno naprezanje ne smije biti visoko.

Do lomova drvenih konstrukcija najčešće dolazi zbog smicanja i cijepanja.

Na vlačnu čvrstoću izrazito loše djeluju nepravilnosti u strukturi drva (kvrge, usukanosti i

slično).

Odnos vlačne čvrstoće i gustoće drva (u smjeru vlakanaca i smjeru okomito na vlakanca) u

odnosu na druge tehničke materijale, prikazana je na slici 7.9.

Slika 7.9 – Odnos vlačne čvrstoće i gustoće za drvo i druge tehničke materijale, [29]

7.8 Žilavost

Svojstvo žilavosti određuje ponašanje materijala u uvjetima udarnog opterećenja. Žilavost ili

udarni rad loma (ili čvrstoća na udarac) ispituje se na Charpyjevu batu, a računa se prema izrazu:

𝐾𝑈(𝐾𝑉) = 𝐺(ℎ1 − ℎ2) , J

gdje su:

G – težina bata u N

h1 – početna visina bata u m

h2 – visina bata nakon loma epruvete u m

Žilavost drva je također ovisna o usmjerenosti strukture i najmanja je kad udarac pada

tangencijalno na godove, a najveća kad pada u radijalnom smjeru. I najmanje promjene u

mikrostrukturi drva (u smislu degradacije) uzrokuju pad žilavosti prije nego smanjenje čvrstoće

ili gustoće drva. Kod bukovine koja je godinu dana bila izložena propadanju žilavost se smanjila

47

za 65 %, dok se savojna čvrstoća smanjila za 30 %, gustoća za 10 %, tlačna čvrstoća za 8 % i

tvrdoća za 4 %.

Žilavost je važna kod dijelova koji su u svom radu izloženi izrazito dinamičkom (udarnom)

opterećenju, kao što su dijelovi aviona, vozila, sportskih naprava i sl.

Na slici 7.10 prikazan je odnos čvrstoće i žilavosti za neke vrste drva i druge tehničke

materijale. Vidi se velika razlika između pojedinih vrsta drva i još veća razlika unutar iste vrste

za različite orijentacije s obzirom na smjer vlakanaca.

Slika 7.10 – Odnos čvrstoće i žilavosti za drvo i druge tehničke materijale, [30]

7.9 Lomna žilavost

Udarni rad loma nije uvijek dovoljno selektivna veličina za karakterizaciju žilavosti materijala

pa se na temelju linearno-elastične mehanike loma definira lomna ili pukotinska žilavost - KIC.

To je kritična veličina faktora intenzivnosti naprezanja na vrhu već postojeće pukotine, koja

izaziva daljnje širenje te iste pukotine. Vrijedi za jednostavno otvaranje pukotine cijepanjem

pri statičkom vlačnom opterećenju, Modus I na slici 7.11 a).

Na temelju poznate vrijednosti lomne žilavosti može se odrediti koliko je neka statički

opterećena konstrukcija sigurna od loma.

Pri računanju sigurnosti uzimaju se u obzir različite pogreške u materijalu koje u pravilu čine

materijal osjetljivijim na urezno djelovanje. Struktura drva na mikro i makro razini daleko je

od idealne pa sve navedeno treba uzeti u obzir osobito kod proračuna dijelova nosivih

građevinskih konstrukcija, dijelova aviona i sl.

Zbog usmjerenosti mikrostrukture, za svaki od tri osnovna načina otvaranja pukotine (I, II i III),

u drvu se pukotina može otvoriti, za svaku od tri karakteristične osi, u dvije ravnine. To će dati

6 sustava propagacije pukotine za svaki modus: RL, TL, LR, TR, LT i RT, slika 7.11 b). Od

48

svih šest, praktičnu važnost imaju samo 4 - RL, TL, TR i RT, kod kojih pukotina napreduje u

ravnini paralelnoj s vlakancima i u kojima je lomna žilavost najniža.

Najčešće se lomna žilavost drva određuje za RL i TL orijentaciju.

Vrijednost lomne žilavosti KIC za drvo je u rasponu od 220 do 550 N/mm3/2, a vrijednost KIIC

je u rasponu od 1650 do 2400 N/mm3/2.

Sadržaj vlage u drvu utječe na vrijednost lomne žilavosti. Maksimalne vrijednosti postiže se

kod udjela vlage od 6 do 15 %. Ako sadržaj vlage u drvu padne ispod 6 %, pada i vrijednost

lomne žilavosti.

a)

-jednostavno otvaranje

b)

- uzdužno smicanje

- poprečno smicanje

Slika 7.11 – Tri osnovna načina otvaranja pukotine prema Irwinu (a) i šest mogućih

sustava otvaranja pukotine u drvu (b), [31]

7.10 Tvrdoća drva

Tvrdoća je važno svojstvo drva, nije potpuno egzaktno određena, a predstavlja otpor kojim se

drvo suprotstavlja prodiranju nekog drugog tijela u njegovu površinu (volumen).

Prema pravcu djelovanja sile u odnosu na smjer vlakanaca tvrdoća se može odrediti u

poprečnom, radijalnom i tangencijalnom presjeku.

Za ispitivanje tvrdoće drva postoji nekoliko metoda. Najčešće se koriste metoda koju je

osmislio austrijski znanstvenik Gabriel Janka, 1906. godine i koja se po njemu zove metoda po

Janki. Metoda je standardizirana 1927. godine američkim standardom, a trenutno važeća norma

je ASTM D 1037-12, [32].

Na slici 7.12 prikazan je uređaj za ispitivanje tvrdoće drva metodom po Janki.

Tvrdoća se određuje prema sili koja je potrebna da se čelična kuglica promjera 11,28 mm utisne

u drvo do polovice svog promjera od 5,64 mm. Tada ploština otiska na površini drva iznosi

točno 1 mm2. Brzina utiskivanja kuglice je konstantna i kreće se u granicama od 0,05 do 0,1

mm/s. Dimenzije uzoraka na kojima se ispituje tvrdoća trebaju biti 50 × 50 × 30 mm.

Vrijednost tvrdoće po Janki računa se prema izrazu:

𝐻𝐽 = 𝐾 · 𝐹 , N

gdje je:

49

HJ - tvrdoća po Janki u N

K – koeficijent ovisan o dubini prodora kuglice

F - sila utiskivanja na propisanu dubinu u N.

Slika 7.12 – Uređaj za ispitivanje tvrdoće drva metodom po Janki, [33]

Druga metoda koja se također često koristi za određivanje tvrdoće drva je metoda po Brinellu

(HRN EN 1534:2010), [34]. Kod ove metode se u površinu drva utiskuje kuglica od kaljenog

čelika promjera 10 mm, slika 7.13. Uzorci za ispitivanje su prizmatičnog oblika sa stranicama

od ≈ 50 mm. Kuglica se u površinu utiskuje silom od 500 N (za mekše vrste drva) ili 1000 N

(za tvrđe vrste drva). Prirast sile je postepen, konačno opterećenje postiže se u za 15 ± 3

sekunde. Maksimalno opterećenje djeluje 25 ± 5 sekundi, a nakon toga slijedi rasterećenje.

Između kuglice i površine drveta stavlja se indigo papir da se otisak bolje vidi i da se preciznije

očita promjer otiska. Oprema kojom se promjer mjeri mora imati točnost od ± 0,2 mm.

50

Slika 7.13 – Shematski prikaz metode mjerenja tvrdoće po Brinellu

Tvrdoća se računa prema izrazu:

𝐻𝐵 =2𝐹

π𝐷(𝐷−√𝐷2−𝑑2 )

gdje je:

HB - tvrdoća po Brinellu u N/mm2

F – sila od 500 ili 1000 N

D - promjer kuglice - 10 mm

d - promjer otiska

Brinellovom metodom teško se mjeri tvrdoća vrlo tvrdih vrsta drva jer je otisak malen i teško

ga je precizno izmjeriti. Osim toga postoji realna opasnost da se tako mali otisak smjesti u rani

ili kasni dio goda pa su rasipanja rezultata velika zbog velike razlike u tvrdoću između ranog i

kasnog dijela goda.

Na slici 7.14 prikazan je odnos između tvrdoće i gustoće za drvo i druge tehničke materijale

Slika 7.14 – Odnos tvrdoće i gustoće za drvo i druge tehničke materijale, [29]

Tvrdoća drva uglavnom ovisi o vrsti drva, gustoći i udjelu vlage u drvu. Razlike među vrstama

su dosta velike, ali i unutar iste vrste moguća su poprilična rasipanja. Razlike mogu biti velike

51

u unutar istog debla. Kako su donji dijelovi debla s većom gustoćom to je i njihova tvrdoća

veća od tvrdoće dijelova debla s veće visine. Gustoća bitno utječe na tvrdoću drva i u pravilu

drvo veće gustoće ima i veću tvrdoću. Tako su egzote s velikom gustoćom među najtvrđim

vrstama drva.

Tvrdoća je ovisna i o omjeru ranog i kasnog drva u svakom pojedinom godu. Ako je udjel

kasnog drva u godovima veći, veća je i tvrdoća. Poznato je da četinjače s uskim godovima imaju

veći udjel kasnog drva pa su one u pravilu tvrđe od onih sa širokim godovima. Kod listača, sa

širinom goda raste i udio kasnog drva pa su listače sa širim godovima u pravilu tvrđe od onih s

užim godovima.

Tvrdoća drva veća je na poprečnom (frontalnom) presjeku nego na radijalnom i tangencijalnom

(bočni ili lateralni presjeci).

Tvrdoća poprečnog presjeka drva veća je za približno 1,6 do 2,5 puta od tvrdoće radijalnog i

tangencijalnog presjeka.

Tablica 7.9 – Jankina podjela vrsta drva prema tvrdoći, [27]

Razred tvrdoće Broj tvrdoće,

N/mm2 Vrsta drva

vrlo meko drvo do 35 paulovnija, limba, smreka, topola crna, topola

bijela, lipa, bor, vrba, jela, kesten divlji

Meko drvo 35,1 do 50,0 ariš, joha, breza, borovica, duglazija, sremza

srednje tvrdo drvo 50,1 do 65,0 kesten pitomi, platana, orah, brijest, dud

tvrdo drvo 65,1 do 100 hrast, brekinja, javor, pajasen, trešnja, jasen,

lijeska, koprivić, tisa, bukva, cer, grab

vrlo tvrdo drvo 100,1 do 150,0 svib, maslina, crnika, žutika, mendulja

drvo tvrdo kao kost veći od 150,0 ebanovina, grenadil-drvo, gvajak

Tablica 7.10 – Tvrdoća nekih domaćih vrsta drva, [27]

Vrsta drva Tvrdoća

Hrast 28,0... 65,0... 101,0

Jasen 41,0... 76,0... 115,0

Bukva 54,0.. 78,0... 110,0

Lipa 26,0... 33,0... 39,0

Breza 37,0... 49,0... 63,0

Bagrem 45,0... 59,0... 77,0

Ariš 22,0... 38,0... 70,0

Bor (obični) 19,0... 30,0... 50,0

Smreka 14,0... 27,0... 46,0

Jela (obična) 18,0... 34,0... 53,0

52

Razlike u tvrdoći između radijalnog i tangencijalnog presjeka su neznatne. Radijalni presjeci

su neznatno tvrđi od tangencijalnih.

Udio vlage u drvu također utječe na tvrdoću drva. S porastom sadržaja vlage tvrdoća pada ali

samo do točke zasićenja vlakanaca (TZV). Ako sadržaj vlage raste preko toga, tvrdoća ostaje

ista sve do potpune napojenosti drva.

Ako se udio vlage poveća za 1 %, tvrdoća pada za oko 4 % u longitudinalnom te za oko 2,5 %

u radijalnom i tangencijalnom smjeru. Poznato je da suho drvo četinjača ima oko 50 %, a suho

drvo listača oko 30 % višu tvrdoću od mokrog drva.

Vrste drva se mogu svrstati po tvrdoći (prema Janki) kako je prikazano u tablici 7.9, a u tablici

7.10 mogu se vidjeti rasponi vrijednosti tvrdoće nekih domaćih vrsta drva.

7.11 Otpornost na trošenje (Fali kratica za svojstvo)

Od sva četiri osnovna mehanizma trošenja, najviše je istraživana otpornost drva na abraziju.

Abrazijsko trošenje drva nastaje pri relativnom gibanju tvrđih čestica (abraziva) po površini

drva. Otpornost drva na abraziju ovisi o puno čimbenika. U uskoj je vezi s tvrdoćom drva ali ta

dva svojstva nisu identična. Također ovisi o granici razvlačenja i gustoći te o orijentaciji

mikrostrukture (presjeku), slika 7.15. Udjeli celuloze, hemiceluloze i lignina te udio vlage u

drvu i način na koji je obrađena površina drva također utječu na otpornost trošenju.

Slika 7.15 – Osnovne osi simetrije i osnovni presjeci u drvu (P, R i T), [35]

Najveća otpornost na abraziju postiže se pri trošenju poprečnog presjeka (P). Radijalni presjek

(R) se troši malo više od tangencijalnog (T).

Poznato je da se difuzno porozne vrste drva manje troše nego prstenasto porozne vrste drva iste

gustoće.

Otpornost na abraziju može se ispitati na Taber abraderu, uređaju prikazanom na slici 7.16.

53

Slika 7.16 – Shematski prikaz ispitivanja otpornosti na abrazijsko trošenje (lijevo) i Taber

abrader (desno), [35]

Na slici 7.17 prikazani su rezultati ispitivanja otpornosti na abraziju triju karakterističnih

presjeka na subfosilnom brijestu s dobro očuvanom mikrostrukturom. U ispitivanju su korišteni

brusni papiri različite kvalitete (P80, P180 i P400) pa se u istom dijagramu može vidjeti kako

se intezitet trošenja mijenja s promjenom veličine abrazivnih čestica.

Slika 7.17 – Ovisnost između intenziteta trošenja i veličine abrazivnih čestica za poprečni

(P), radijalni (R) i tangencijalni presjek (T), [35]

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0

Tro

šen

je, m

m3/m

m2

Srednji promjer abrazivnog zrna (D), m

P

R

T

54

7.12 Brzina zvuka

Ovo vibracijsko svojstvo drva ovisi o modulu elastičnosti i gustoći. Također varira ovisno o

orijentaciji, isto kao i modul elastičnosti (EL≈20·ET). U longitudinalnom smjeru (L) brzina

zvuka je 3 do 5 puta veća nego u transverzalnom (T).

Brzina zvuka opada ako raste temperatura okoliša ili ako raste sadržaj vlage u drvu. Poroznost

drva značajno utječe na brzinu zvuka, slika 7.18.

Povećanje frekvencije i amplitude zvučnih valova ne utječe značajno na brzinu zvuka.

Slika 7.18– Utjecaj poroznosti na brzinu zvuka u poprečnom smjeru, [36]

55

Literatura

[1] Nacrt šumskogospodarske osnove područja Republike Hrvatske 2016.-2025.,

http://www.mps.hr/default.aspx?id=8451 , pristup 11. 12. 2016.

[2] http://web-japan.org/nipponia/nipponia33/en/topic/ , pristup 8. 2. 2017.

[3] http://www.tzzz.hr/kroz-zupaniju/kulturna-bastina/najvrjednije-sakralne-

cjeline/drvene-crkve-i-kapele-turopolja/ , pristup 8. 2. 2017.

[4] Rowell, R. M.: Handbook of wood chemistry and wood composites, CRC Press,

2005.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose_fiber, pristup 12. 4. 2017.

[6] https://steurh.home.xs4all.nl/engloof/eloofht.html#grondweefsel, pristup 17. 4. 2017.

[7] http://www.sumari.hr/sumlist/pdf/200102630.pdf , pristup 1. 5. 2017.

[8] Spalt, H.A.: Fundamentals of water vapor sorption by wood, Forest Prod. J. 8(10):

288-295, 1958.

[9]

Skaar, C. Wood-water ralationships, The Chemistry of Solid Wood, R.M. Rowell

(Ed.), Advancesin Chemistry Series, American Chemical Society, Washington, DC,

207, 125-174, 1984.

[10] HRN EN 350-2.- Trajnost drva i proizvoda na osnovi drva - Prirodna trajnost

masivnog drva

[11] Unger, A.; Schniewind, A. P.; Unger, W., Conservation of Wood Artifacts: A

Handbook, Springer, Berlin, 2001.

[12] http://www.wolman.de/en/index.php, pristup 1. 5. 2017.

[13] http://www.antikviteti.net/antikviteti-net/wp-

content/uploads/2011/02/lipanovic_bioloski.pdf , pristup 2. 5. 2017.

[14] https://www.flickr.com/photos/biteyourbum/15404278797/in/photostream,

pristup 1. 5. 2017.

[15] https://en.wikipedia.org/wiki/Blue_stain_fungus, pristup 1. 5. 2017.

[16] http://www.agrosan.hr, pristup 1. 5. 2017.

[17] http://www.ezadar.rtl.hr/sci-tech/2108257, pristup 27. 4 2017.

[18] https://www.doyourownpestcontrol.com/carpenter_ant_inspection.htm,

pristup 8. 5. 2017.

[19] http://www.antoniosiber.org, pristup 8. 5. 2017.

[20] https://poi-australia.com.au/teredo-navalis-termites-of-the-sea-ship-worm/,

pristup 27. 4. 2017.

[21] https://en.wikipedia.org/wiki/Teredo_navalis , pristup 28. 5. 2017.

[22]

https://www.researchgate.net/publication/248422047_Application_of_catalytic_hyd

ropyrolysis_for_the_rapid_preparation_of_lignin_concentrates_from_wood,

pristup 27. 4. 2017.

[23]

https://en.wikisource.org/wiki/Heat-

Its_Role_in_Wildland_Fire/Heat_Conduction_and_Wildland_Fire,

pristup 28. 5. 2017.

[24] https://bib.irb.hr/datoteka/610088.Ponaanje_drvenih_konstrukcija_u_uvjetima_poar

a_i_otpornost_na_djelovanje_poara.pdf , pristup 20. 4. 2017.

[25] F. F. P. Kollmann, W. A. Côté: Principles of wood science and technology Springer-Verlag, 1968.

[26] http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/properties/non-IE/stiffness.html ,

56

pristup 20. 4. 2017.

[27] I. Horvat, I. Tehnologija drva, Drvnoindustrijski priručnik, Tehnička knjiga, Zagreb

[28] Nairn, J. A., A Numerical Study of the Transverse Modulus of Wood as a Function

of Grain Orientation and Properties," Holzforschung, 61, 406-413, 2007.

[29] http://teachingresources.grantadesign.com/charts , pristup 20. 4. 2017.

[30] http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/strength-

toughness/basic.html , pristup 20. 4. 2017.

[31] https://en.wikipedia.org/wiki/Fracture_mechanics , pristup 20. 4. 2017.

[32] ASTM D1037-12 - Standard Test Methods for Evaluating Properties of Wood-Base

Fiber and Particle Panel Materials

[33] http://www.hoskinghardwood.com/Department/Hardwood-Floors/Janka-Wood-

Hardness-Chart.aspx?dId=7&pageId=12 , , pristup 20. 4. 2017.

[34] HRN EN 1534:2010 – Određivanje otpornosti na utiskivanje (Brinell)-metoda

ispitivanja

[35]

Rede, V.; Essert, S.; Šokčević, Z.: Effects of microstructural orientation on the

abrasive wear resistance of subfossil elm wood in three orthogonal planes , Wear,

380/381; 2017.

[36] https://plot.ly/~mrlyule/330.embed , pristup 20. 4. 2017.