Institutionen för teknik och design, TD
Analys av sprickdetektion vid automatisk
avsyning av granvirke
- med avseende på sprickors bredd, längd och djup
Analysis of crack detection by automatic visual
scanning of sawn spruce timber
- with regard to width, length and depth of cracks
Växjö juni 2008 Examensarbete nr: TD 035/2008 Robert Andreasson och Pontus Jansson Avdelningen för Skog och Träteknik
Institutionen för teknik och design Pontus Jansson Växjö University
School of Technology and Design
Dokumenttyp/Type of document Handledare/tutor Examinator/examiner
Examensarbete/ Diploma work Lars Eliasson Lars Eliasson
Titel och undertitel/Title and subtitle
Analys av sprickdetektion vid automatisk avsyning av granvirke – med avseende på sprickors bredd, längd och djup / Analysis of crack detection by automatic visual scanning of sawn spruce timber – with regard to width, length and depth of cracks
Sammanfattning (på svenska)
Examensarbetet syftar till att hitta samband mellan ytliga sprickor hos virke, i form av dimensioner och karaktärer, som dagens maskinella avsyningssystem inte klarar av. Tyngdpunkten i projektet har legat på att identifiera eventuella samband mellan verkligt djup hos sprickor och de ytliga sprickmått som kan uppmätas med automatisk avsyning av WoodEye. I huvudsak har projektets praktiska undersökningar gått ut på att bestämma sprickors ytliga dimensioner, djup, typ och position med hjälp av automatisk avsyningsutrustning (WoodEye) samt genom manuell uppmätning i ett antal itusågade sprickzoner. Det provmaterial som använts i utförda försök och som legat till grund för efterföljande sprickanalyser har varit av sådan karaktär att det kunnat jämställas med konstruktionsvirke som normalt sett hållfasthetssorteras enligt europasstandard SS-EN 14081-1.
I projektet har 568 sprickor, fördelade över 8 olika spricktyper, analyserats. Av erhållna resultat har det konstaterats att störst respektive minst medelbredd uppvisades hos kådlåpor respektive kantsprickor, störst respektive minst medellängd uppvisades hos splintsidesprickor respektive kådlåpor, samt att störst medeldjup uppvisades hos fäll-, kap- och stormsprickor. Vid analys av sprickors bredd och längd i relation till dess djup har inga entydiga samband kunnat påvisas.
Nyckelord
avsyning, gran, konstruktionsvirke, skanning, spricka, sprickor, sortering, trä, WoodEye
Abstract (in English)
This degree project aims to examine any connections between superficial cracks in timber, in terms of
dimensions and characteristics, a matter insufficiently addressed by today's visual grading systems. The projects emphasis lies within the practical studies of cracks, characteristics and dimensions, within the acquired samples. In essence, the survey set out to determine superficial dimensions, depth, type and position of cracks by using a visual grading system (WoodEye), and by comparing the results by manually measuring a number of crosscutted cracks. The material used in the experiments and which formed the basis for subsequent analysis has been of such a nature that it could be equated with structural timber normally defined under the European Standard EN 14081-1.
The project has encompassed the analysis of 568 examples of cracks consisting of 8 various types of cracks. By obtained results it has established that the greatest and smallest width is shown in resin pockets, respective side cracks, the greatest and least average height shown in sapwood cracks, respective resin pockets, and that the greatest average depth shown in cracks occurred from felling or hurricanes. From analysis of the cracks breadth and height in relation to depth no clear connection can be established.
Key Words
crack, cracks, sawn timber, scanning, sorting, spruce, structural timber, visual grading, WoodEye
Utgivningsår/Year of issue Språk/Language Antal sidor/Number of pages
2008 Svenska/Swedish 61
Förord
På initiativ av Innovativ Vision AB har denna rapport sammanställs som i första hand
behandlar huruvida det existerar eventuella samband mellan verkligt djup hos sprickor och de sprickmått som kan uppmätas vid automatisk avsyning med WoodEye. Projektet har utförts i egenskap av ett examensarbete under vårterminen 2008, som ett avslutande moment i
utbildningen inom Skog och Träteknik vid Växjö universitet.
Författarna vill ta tillfället i akt att tacka nedanstående personer som gjort detta arbete möjligt: − Claes Nelsson, IV AB – för initiativ och handledning samt introduktion till WoodEye − Lars Eliasson, Växjö universitet – för handledning, rådgivning och engagemang − Lars-Göran Andersson, JGA AB – för hjälp med anskaffning av provmaterial
− Torsten & Fredrik Malmberg, Malmbergs Konsult AB – för att ha bistått med mätsticka − Dick Sandberg, Växjö universitet – för hjälp med litteraturanskaffning
− Jimmy Johansson, Växjö universitet – för tips och råd på vägen − Jonaz Nilsson, Växjö universitet – för assistans i laborationshallen − Nick Furderer – för korrekturläsning
− Ellen Furderer – för hjälp med bildredigering
Ett särskilt tack riktas till våra familjer och vänner för betydelsefullt stöd under arbetets gång.
Växjö, 12:e juni, 2008
Abstract
This degree project aims to examine connections between superficial cracks in timber, in terms of dimensions and characteristics, a matter insufficiently addressed by today's visual grading systems. The focus of the project has been to identify any link between the real depth of cracks and the dimensions that can be measured with a visual grading of WoodEye. The project also illuminates the eventual need of further development of WoodEye to achieve accurate and reliable sorting results with respect to cracks.
The project began with an in-depth study into cracks and cracking in general. The projects emphasis lies within the practical studies of cracks, characteristics and dimensions, within the acquired samples. In essence, the survey set out to determine superficial dimensions, depth, type and position of cracks by using a visual grading system (WoodEye), and by comparing the results by manually measuring a number of crosscutted cracks. Subsequent analysis and identification of possible links have been made using the measurements obtained and the collated data. This has, when possible, been linked to previous reading of existing studies and published literature.
The material used in the experiments and which formed the basis for subsequent analysis has been of such a nature that it could be equated with structural timber normally defined under the European Standard EN 14081-1. Test materials were 70 planed Spruce planks with the dimensions 45×145 mm and 2500 mm in length, each plank with one or more visible superficial cracks of differing nature.
The project has encompassed the analysis of 568 examples of cracks consisting of 8 various types of cracks giving the following results:
• greatest and smallest average width within resin pockets and side cracks,
• greatest and least average height shown in sapwood cracks, respective resin pockets, • greatest average depth shown in cracks occurred from felling or hurricanes.
From analysis of the cracks breadth and height in relation to depth no clear connection can be established.
Furthermore, it was among other things found that manually measured length of the cracks in all cases was registered as longer than that registered by visual grading of WoodEye, and that 35 % of all detected crack defects where recorded by WoodEye incorrectly as cracks. These dimensions and detection deviations had probably been reduced to some extent by a careful configuration of the visual grading system.
Sammanfattning
Detta examensarbete syftar till att hitta samband mellan ytliga sprickor hos virke, i form av dimensioner och karaktärer, som dagens maskinella avsyningssystem inte klarar av. Tyngd-punkten i projektet har legat på att identifiera eventuella samband mellan verkligt djup hos sprickor och de ytliga sprickdimensioner som kan uppmätas med automatisk avsyning av WoodEye. Projektet har även till viss del belyst huruvida en utveckling av WoodEye fordras för att uppnå bra sorteringsegenskaper, med avseende på sprickor.
Projektet inleddes med en fördjupning i ämnet om sprickor och sprickbildning i allmänhet. Vidare bedrevs projektet med tonvikt på praktiska undersökningar av sprickor och dess karaktärer respektive dimensioner i anskaffat provmaterial. I huvudsak gick undersökningarna ut på att bestämma sprickors ytliga dimensioner, djup, typ och position med hjälp av
automatisk avsyningsutrustning (WoodEye) samt genom manuell uppmätning i ett antal itusågade sprickzoner. Efterföljande analyser och identifieringar av eventuella samband har gjorts med hjälp av erhållna mätresultat och insamlad materialdata, vilka om möjligt har knutits an till tidigare gjorda litteraturstudier.
Det provmaterial som använts i utförda försök och som legat till grund för efterföljande sprickanalayser har varit av sådan karaktär att det kunnat jämställas med konstruktionsvirke som normalt sett hållfasthetssorteras enligt europasstandard SS-EN 14081-1. Provmaterialet har utgjorts av 70 planhyvlade granplank med längderna 2500 mm och dimensionerna 45×145 mm. Hos varje planka har det funnits en eller flera synliga ytliga sprickor av skiftande
karaktärer.
I projektet har 568 sprickor fördelade över 8 olika spricktyper analyserats med följande resultat:
• störst respektive minst medelbredd uppvisades hos kådlåpor respektive kantsprickor, • störst respektive minst medellängd uppvisades hos splintsidesprickor respektive
kådlåpor,
• störst medeldjup uppvisades hos fäll-, kap- och stormsprickor.
Vid analys av sprickors bredd och längd i relation till dess djup har inga entydiga samband kunnat påvisas.
Vidare konstaterades det bl.a. att manuellt uppmätt spricklängd i samtliga fall var längre än vad som registrerades vid avsyning med WoodEye, samt att 35 % av alla detekterade sprickdefekter registrerades felaktigt som sprickor av WoodEye. Dessa mått- och
detekteringsavvikelser hade förmodligen kunnat reduceras till viss del genom en noggrann konfigurering av avsyningsutrustningen.
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.1.1 Företags- och verksamhetsbeskrivning ... 1
1.1.2 Problemformulering ... 2
1.2 Syfte ... 3
1.3 Mål ... 3
1.4 Avgränsningar ... 3
2 Material och metod ... 4
2.1 Material ... 4
2.2 Metod ... 5
2.2.1 Teoretiska studier... 5
2.2.2 Beredning av provmaterial... 5
2.2.3 Automatisk avsyning med WoodEye... 6
2.2.4 Manuella mätningar... 8
2.2.5 Sammanställning ... 10
3 Allmänt om trä ... 11
3.1 Uppbyggnad och struktur ... 11
3.2 Fysikaliska egenskaper... 14
3.3 Biologisk beständighet ... 17
3.4 Kvalitetsbedömning av virke ... 17
3.4.1 Handelssortering... 18
3.4.2 Hållfasthetssortering... 19
4 Allmänt om sprickor och sprickbildning ... 21
4.1 Torksprickor ... 22 4.1.1 Splintsidespricka (ytsidespricka)... 23 4.1.2 Kantspricka ... 25 4.1.3 Märgspricka ... 25 4.1.4 Minisprickor ... 26 4.1.4.1 Ytsprickor ... 27 4.1.4.2 Mikrosprickor... 27 4.1.5 Inre sprickor ... 28 4.2 Ändspricka ... 28 4.3 Kärnspricka ... 30 4.4 Ringspricka... 30 4.4.1 Kådlåpa ... 31 4.5 Frostspricka ... 31
4.6 Fäll-, kap- och stormspricka... 32
4.7 Fallspricka ... 32 4.8 Tvärspricka... 32 4.9 Spricka över hörn ... 32 4.10 Sorteringsanvisningar... 33 4.10.1 Nordiskt trä ... 33 4.10.2 SS-EN 14081-1 ... 34
5 Resultat... 35
5.1 Översikt ... 35
5.2 Relationer mellan sprickors ytliga dimensioner (längd, bredd) och uppmätt djup .. 40
5.2.1 Samtliga sprickor ... 40
5.2.2 Sprickor belägna i provmaterialets mittzoner... 41
5.2.3 Sprickor belägna i provmaterialets ändzoner... 42
5.2.4 Torksprickor ... 43
5.2.5 Splintsidesprickor... 44
5.2.6 Märgsprickor... 45
5.2.7 Ändsprickor ... 46
5.2.8 Ringsprickor (kådlåpor) ... 47
5.3 Mått- och detekteringsnoggrannhet vid avsyning med WoodEye ... 49
5.3.1 Måttnoggrannhet... 49
5.3.2 Detekteringsnoggrannhet ... 51
6 Diskussion ... 53
6.1 Översikt ... 53
6.2 Relationer mellan sprickors ytliga dimensioner (längd, bredd) och uppmätt djup .. 55
6.3 Mått- och detekteringsnoggrannhet vid avsyning med WoodEye ... 56
6.4 Felkällor ... 57
7 Slutsatser ... 58
8 Förslag till fortsatta studier... 59
Referenser ... 60 Bilagor: 1 Gantt-schema...B1 2 Medelfuktkvot för provmaterialet...B2 3 Insamlad data ...B3 3.1 Batch 1...B3 3.2 Batch 2...B8 3.3 Batch 3...B13 3.4 Batch 4...B17 3.5 Batch 5...B21 3.6 Batch 6...B25 3.7 Batch 7...B30
4 Foton av samtliga plankors tvärsnitt...B34
4.1 Batch 1...B34 4.2 Batch 2...B38 4.3 Batch 3...B42 4.4 Batch 4...B46 4.5 Batch 5...B50 4.6 Batch 6...B54 4.7 Batch 7...B58
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Det finns ett stort och ofrånkomligt behov av att sortera och avsyna virke inom i princip all form av industriell trämekanisk förädling. Detta gäller för såväl konstruktionsvirke som för snickeri- och möbelvirke, där avsyning i samtliga fall sker utifrån givna kriterier. Historiskt sett har avsyning av trä utförts manuellt, vilket än idag är en utbredd metod inom träindustrin. I takt med behoven av ökad effektivisering och produktivitet inom dagens träindustri följer rimligtvis ett växande behov av tillförlitliga och effektiva automatiska och maskinella
avsyningssystem. Förutom att höja produktiviteten kan ett automatiskt avsyningssystem ge en betydligt stabilare och säkrare sortering jämfört med vad som är möjligt vid ”traditionell” manuell sortering. Även ur arbetsmiljösynpunkt bör automatiska avsyningssystem vara klart fördelaktiga gentemot manuella avsyningssystem. Främst med tanke på att de krav som ställs med avseende på vissa virkessärdrag, t.ex. sprickor, kvistar och dimensionsavvikelser, många gånger torde vara svåra att uppfylla för en manuell sorterare i normal produktionstakt.
Idag finns det ett flertal system för automatisk avsyning av trä som på olika sätt kan
identifiera olika karaktärsdrag hos ett virkesstycke. En vidareutveckling av dessa system är ständigt aktuell för att säkerställa en tillförlitlig och effektiv avsyning.
1.1.1 Företags- och verksamhetsbeskrivning
Innovativ Vision AB är en producent och leverantör av system för kvalitetsstyrning inom träindustrin. Företagets huvudsakliga verksamhet bedrivs i Linköping och har så gjorts sedan företaget grundades 1985. Idag har Innovativ Vision AB strax över 45 anställda (Nelsson 2008).
Systemet som kontinuerligt utvecklats under mer än 20 års tid har fått namnet WoodEye. Utvecklingen av systemet bygger till stor del på erfarenheter från över 200 installationer i Skandinavien, Centraleuropa, Nord- och Sydamerika, Asien, Oceanien samt Baltikum. Innovativ Vision AB är numera etablerade med dotterbolag både i Nordamerika och i Tyskland (WoodEye 2008).
WoodEye är en skanner för mätning, avsyning och optimering av sågat och hyvlat trä. Systemet är designat för att avsyna virke som matas längsgående genom en mätram. Avsyningen görs visuellt för att upptäcka de flesta såväl biologiska som geometriska avvikelser i trävirket, såsom kvistar, sprickor, röta, missfärgningar, urslag, vankanter etc. Defekterna detekteras både till storlek och till position. Ett flertal olika metoder samverkar för att göra avsyningen så noggrann och säker som möjligt (Anon 2008):
• Kamerasensorer för registrering i gråskala och färg. Används för beräkning av
defekters läge, form och utbredning samt strukturer, nyansskillnader m.m. Sensorerna registrerar även vanliga defekter som kådlåpor, kvistar, sprickor, blånader etc.
• Laserbaserad mätning av fiberriktningen i träet, s.k. trakeideffekt. Analysen av
fiberriktningen arbetar genom att mäta hur ljuset sprids i fibrerna, vilket är ett effektivt sätt att urskilja defekter som exempelvis fiberavvikelser runt kvistar, blånad och röta.
• Dimensionsbestämning av virkesstyckets längd och bredd på samtliga avsynade sidor. • Laserbaserad profilmätning bestämmer virkets profil genom att en laserlinje
reflekteras mot träytan. På så sätt kan vankant, kvisthål och andra ytliga avvikelser upptäckas.
• Multispektral färgkamera kan detektera nyansskillnader och små färgavvikelser. Utöver ovanstående mätmetoder kan systemet även mäta t.ex. struktur, hyvelojämnheter, mörkhet och fläckighet. Sensorkomplettering av systemet för röntgen, hållfasthetsberäkning, fuktighetsmätning, deformationsmätning etc. är också möjlig (Anon 2008).
Systemet har förmågan att hantera många och komplexa sorteringsregler, vilket ger möjligheten att producera kundspecifika produkter redan i ett tidigt skede av förädlings-processen. Systemet kan även samla kontinuerlig produktionsstatistik vilket med fördel kan kopplas till leverantör, kund, arbetspass, produkt, etc. Det finns också möjlighet att spara data för varje virkesbit som i efterhand kan läsas in för exempelvis simulering (Anon 2008). Optimering av kapning och sortering görs utifrån ett stort antal fastställda produkter och kvalitetsklasser. I enlighet med användarens inställningar upptäcker och klassificerar systemet defekter hos virket. Beroende på applikation kan den information som systemet tar in och behandlar användas på olika sätt. Utifrån detta marknadsförs WoodEye i tre olika
grundutföranden (Anon 2008):
• WoodEye Cross Cut – avsett för kapoptimering. Systemet har som mål att kapa bort icke tillåtna defekter. Exempel på produkter är fönsterramar med fasta längder, samt produkter avsedda för fingerskarvning med varierande längder.
• WoodEye Sorter – avsett för sortering. Systemet bestämmer den bästa produkt som kan tillverkas av hela virkesstycket, med avseende på kvalitetsregler och prioritet på olika produkter.
• WoodEye Parquet & Flooring – avsett för parkett- och golvavsyning. Systemet sorterar efter speciella mätningar för struktur, tjocklek, färg etc.
1.1.2 Problemformulering
Idag används WoodEye för kompletteringssortering i enlighet med den europeiska standarden för visuell och maskinell hållfasthetssortering av sågat konstruktionsvirke, SS-EN 14081 -1. En av de defekter som ingår i kompletteringssorteringen är sprickor. Kraven är ofta beroende på sprickdjup och huruvida sprickorna är genomgående eller ej. I dagsläget anses WoodEye vara ett tillförlitligt system då det gäller bredd- och längdmätning av sprickor. Systemet klarar däremot inte av att mäta sprickdjup. Därav är det av intresse att finna eventuella samband mellan sprickors ytliga dimensioner och verkliga djup för att WoodEye i framtiden skall kunna hållfasthetssortera virke på ett intelligent sätt.
1.2 Syfte
Projektet syftar till att hitta samband mellan ytliga sprickor hos virke, i form av dimensioner och karaktärer, som dagens maskinella avsyningssystem inte klarar av.
I ett bredare perspektiv kan projektets studier resultera i en utveckling av sorterings-egenskaperna hos WoodEye med avseende på sprickor.
1.3 Mål
Målet med projektet är att identifiera eventuella samband mellan följande parametrar hos sprickor:
• bredd, • längd,
• verkligt djup,
• om, och i sådana fall när, sprickor är genomgående.
Att ta fram material, som pekar på att en viss utveckling av WoodEye krävs för att nå bra sorteringsegenskaper, kan också anses vara ett mål med projektet.
1.4 Avgränsningar
Då examensarbetet är begränsat till 15 högskolepoäng har projektets omfattning dimension-erats utifrån de 10 veckor som skall ingå enligt studieplanen. Detta gäller såväl praktiska undersökningar som teoretiska studier och sammanställningar.
De praktiska undersökningarna har begränsats till studier av sprickor i ett och samma trädslag - svensk gran (picea abies). Provmaterialet har utgjorts av 70 plank i en och samma
dimension som av praktiska skäl sorterats ut från ett och samma virkespaket, vilket sannolikt kan ha begränsat mångfalden av sprickor. Vidare har provmaterialet uteslutande bestått av märgkluvet centrumutbyte, vilket innebär att varje plankas tvärsnitt har haft en stor
årsringskrökning.
Eftersom de praktiska försöken delvis har utförts på befintlig WoodEye avsyningsutrustning vid Växjö universitet har vissa förkunskaper i systemets förutsättningar och programvara krävts. Dessa har erhållits i begränsad omfattning under ledning av Innovativ Vision AB. Någon vidare fördjupning i programmets mjukvara, med syfte att utveckla systemet, har ej varit aktuell.
Projektets teoristudier har huvudsakligen omfattats av en fördjupning om sprickor och sprickbildning i allmänhet med tyngdpunkt på en omfattande beskrivning av förekommande spricktyper. Djupare analys om hur sprickor i virke kan reduceras och helt elimineras har ej heller varit aktuell.
2
Material och metod
Innan projektstart fastställdes en projektspecifikation där projektets omfattning, syfte, mål, förväntade resultat och planering specificerades i samråd med projektbeställaren Innovativ Vision AB; Claes Nelsson. Planeringen för projektet i form av ett Gantt-schema finns bifogat som bilaga 1.
Projektet inleddes med en fördjupning i ämnet om sprickor och sprickbildning i allmänhet. Vidare har projektet bedrivits med tyngdpunkt på praktiska undersökningar av sprickor och dess karaktärer respektive dimensioner i anskaffat provmaterial. I huvudsak gick
under-sökningarna ut på att bestämma sprickors ytliga dimensioner, djup, typ och position med hjälp av automatisk avsyningsutrustning (WoodEye) samt genom manuell uppmättning i ett antal itusågade sprickzoner.
Efterföljande analyser och identifiering av eventuella samband har gjorts med hjälp av erhållna mätresultat och insamlad materialdata, vilket om möjligt har knutits an till tidigare gjorda litteraturstudier.
2.1 Material
Det provmaterial som använts i utförda försök och som legat till grund för efterföljande sprickanalayser har varit av sådan karaktär att det kunnat jämställas med konstruktionsvirke som normalt sett hållfasthetssorteras enligt europasstandard SS-EN 14081-1.
Sågverket J G Anderssons och söner AB i Linneryd har bistått med provmaterial, vilket har utgjorts av 70 planhyvlade granplank med längderna 2500 mm och dimensionerna 45×145 mm. Virket har uteslutande bestått av märgkluvet centrumutbyte, vilket innebär att varje plankas tvärsnitt haft en stor årsringskrökning. Hos varje planka har det funnits en eller flera synliga ytliga sprickor av skiftande karaktär.
Vidare har provmaterialet enligt Andersson (2008) sorterats och kvalitetsbedömts visuellt vid sågverket innan torkning i virkestork. Kvalitetsbedömning av virket har utförts efter såg-verkets interna bedömningskriterier. Således har virket ej hållfasthetssorterats enligt
europastandard SS-EN 338. Enligt Andersson (2008) kunde dock virket jämställas med sort V (handelssortering enligt ”Gröna Boken”). Det skall tilläggas att virket enligt Andersson (2008) betraktades som färskt och ej var vattenlagrat innan uppsågning. Vid anskaffning höll materialet en medelfuktkvot på 16,4 %.
För avsyning av provmaterial och lagring av sprickdata har befintlig WoodEye avsynings-utrustning vid Växjö universitet använts. Djup för respektive spricka har, efter itusågning med justersåg, tydligt synliggjorts av en rödnyanserad spritbets (Herdins - Nr. 52, mahogny) som rikligt spätts ut med T-sprit. För all övrig uppmärkning av provmaterialet har enklare svart spritpenna använts. Mätning av respektive sprickdjup, samt kontrollmätning av sprick-bredd och spricklängd, har utförts med millimetergraderad stållinjal alt. mätsticka. All
foto-dokumentation av provmaterial och utrustning har skett med digitalkamera (Canon Powershot
2.2 Metod
2.2.1 Teoretiska studier
Fördjupande litteraturstudier har gjorts såväl om sprickor rent allmänt som i aktuella
sorteringsanvisningar för sågat konstruktionsvirke med avseende på sprickor. Utöver detta har studier även förts kring bakomliggande faktorer och teorier till varför sprickor i trä uppstår. På så sätt har kunskap i ämnet förvärvats som legat till grund för efterföljande analyser. För att få en överblick över de förutsättningar som finns vid praktisk sprickanalysering har även tidigare genomförda studier i sprickrelaterade ämnen studerats, främst med avseende på lämpliga metoder för mätning av sprickors djup, längd och bredd.
På initiativ av Innovativ Vision genomfördes i ett tidigt skede av projektet såväl en teoretisk som praktisk genomgång över hur WoodEye och dess programvara skall användas.
2.2.2 Beredning av provmaterial
Anskaffning av provmaterial gjordes i samband med projektstart i samråd med JGA och handledare vid Växjö universitet; Lars Eliasson. Ett urval gjordes på plats vid sågverket i Linneryd efter kriterierna att materialet i sin helhet skulle innehålla flera sprickor av olikartad karaktär samt att varje planka skulle innehålla minst en ytlig spricka. Vidare ansågs virket vara i behov av viss konditionering innan mätningar kunde genomföras. Detta eftersom sprickorna i det relativt nytorkade materialet inte skulle formförändras eller gå igen mellan tidpunkterna för de olika mätningarna. Virket kom därför att placeras i en klimatkammare för konditionering under tre veckor, figur 2.1. Klimatkammaren höll en konstant temperatur på 20° C och en relativ luftfuktighet på 60 %, vilket motsvarar en jämviksfuktkvot på 12 %. I samband med att provmaterialet placerades i klimatkammaren fastställdes materialets medelfuktkvot till 16.4 % med hjälp av torrviktsmetoden, enligt bilaga 2.
2.2.3 Automatisk avsyning med WoodEye
De praktiska undersökningarna inleddes tre veckor efter projektstart med att materialet avsynades maskinellt i befintlig WoodEye avsyningsutrustning vid Växjö universitet, figur 2.2. I samband med avsyningen delades de 70 plank som utgjorde provmaterialet in i batcher om 10 vardera för att på så sätt säkerställa att rätt lagrad materialdata kopplades till rätt planka. Planken markerades i respektive kortända med batch- och planknummer.
Figur 2.2 Avsyning av provmaterial med WoodEye.
Vid avsyningen lagrades data digitalt över alla defekter som WoodEye detekterade. Efter att ha fört över och sparat informationen som ett format i Microsoft Office Excel kunde all överflödig data som ej var relaterat till sprickor sorteras bort. Efter enklare sortering kvarstod endast defektdata med avseende på sprickor som ansågs vara relevant för efterföljande manuella mätningar och analyser.
Insamlad data från den maskinella avsyningen återfinns i sin helhet i bilaga 3 där den redovisas i följande ordning:
1) Nummer för batchtillhörighet
2) Nummer för avsynad planka
3) Den sida på plankan som defekten detekterats
– anges antingen som A, B, C eller D, där A och C utgör övre respektive undre flatsida och B och D utgör kantsidor
4) Typ av defekt
5) Defektens läge i x- och y-position på respektive planka
– anges i mm med utgångspunkt från ena hörnet av den virkesända som först går genom mätramen
6) Defektens lokala bredd (mm)
– det mått där detekterad spricka är som bredast
7) Defektens längd (mm)
8) Aktuellt datum för avsyning
9) Aktuell tid för avsyning
Med typ av defekt avses de beteckningar för sprickor som WoodEye använder: • crack (spricka) – registreras med kamerasensorer för gråskaleanalys,
• crack big (spricka stor) – registreras med kamerasensorer för gråskaleanalys, • crack profile (spricka profil) – registreras med laserbaserad profilmätning.
Förutom dessa tre defektbeteckningar ansågs även pitch pocket (kådlåpa) vara en relevant defekt att ta med i datainsamlingen, dels eftersom många sprickor visade sig registreras som kådlåpor, dels för att kådlåpor kan anses vara en typ av ringspricka. Defektbeteckningen pitch
pocket registreras i systemet av kamerasensorer för gråskaleanalys.
Det skall poängteras att vid avsyning med WoodEye kan en och samma spricka i vissa fall registreras som två eller flera av ovanstående beteckningar, eftersom sprickor registreras av flera olika sensorer och mätinstrument.
Ett exempel över användargränssnittet till WoodEye illustreras i figur 2.3.
Figur 2.3 Användargränssnitt för WoodEye. Ett utkast där ett virkesstycke (7:10) och dess övre flatsida (A-sida) detaljerat visas med samtliga defekter. I det här fallet är en spricka (crack) med dimensionerna 0,6×97,0 mm markerad.
De sprickor som WoodEye detekterade under avsyning markerades också var för sig på respektive planka med en svart spritpenna, för att på så sätt underlätta vid efterföljande manuella mätningar. I samband med avsyning fotodokumenterades även vissa sprickor i lämpliga avstånd och vinklar.
Direkt efter avsyning med WoodEye placerades återigen provmaterialet i klimatkammare för att undvika formförändringar hos sprickorna i materialet mellan den maskinella avsyningen och de manuella mätningarna.
2.2.4 Manuella mätningar
Fem dagar efter det att den maskinella avsyningen avslutats inleddes de manuella mätningarna för att fastställa sprickors djup och typ samt provmaterialets karaktär.
En lämplig och tillförlitlig metod för att mäta sprickdjup ansågs vara enhetlig med den Esping (1988) presenterat. I metoden användes en rödfärgad spritbets som betsades på samtliga sprickor, där den överabsorberades och tydliggjorde framförallt mindre sprickor. Sprickdjupet kunde enkelt mätas efter det att virket kapats över respektive spricka då djupet tydligt
markerats av den röda betsen, figur 2.4.
Figur 2.4 Verkligt sprickdjup tydligt markerat av spritbets (~ 40 mm), jämfört med mätsticka (~ 10 mm).
Vid de manuella mätningarna analyserades de sprickdefekter som detekterats med WoodEye en efter en med tidigare insamlad positionsdata som stöd. För respektive spricka noterades följande parametrar i turordning, gällande sprickegenskaper och karaktär hos provmaterialet:
1) Dubbelt identifierad
– om sprickan eventuellt var identifierad av WoodEye som två eller flera av beteckningarna: crack, big crack, crack profile eller pitch pocket
2) Ej spricka
– om sprickan eventuellt feldetekterats och ej var en verklig spricka utan något annat särdrag, t.ex: märg, barkdrag eller kvist
3) Märg / Splint∗
– vilken av plankans flatsida (märg eller splint) sprickan återfanns på, i de fall då sprickan återfanns på någon av plankans kantsidor utelämnades notering eftersom det där ansågs svårt att avgöra andel splint-/kärnved
4) Årsringskrökning
– subjektiv bedömning av årsringskrökningen för respektive planka, i de fall sprickan återfanns på någon av plankans kantsidor utelämnades notering eftersom det där ej ansågs vara av relevans
5) Uppmätt sprickbredd
– i de fall där det, i jämförelse med erhållet mätvärde från WoodEye, med blotta ögat var möjligt att urskilja en avvikande bredd
6) Uppmätt spricklängd
– i jämförelse med erhållet mätvärde från WoodEye
7) Årsringsorientering hos sprickan∗
– om sprickan var radiellt eller tangentiellt orienterad i virkesstycket (alla sprickor bedömdes vara längsgående vilket därför ej noterades)
8) Typ av spricka eller ev. annan defekt/särdrag
– med annan defekt/särdrag avses antingen barkdrag, hanteringsskada, igensatt kådlåpa, kvist (hålrum runt kvist, sprucken kvist eller kvisthål), missfärgning, märg, urslag eller vankant
9) Sned spricka
– om sprickan i virket uppfattats som markant sned i förhållande till plankans flat- och kantsidor
10) Påverkan av kvist
– om sprickans riktning i virkesytan tydligt påverkats av närliggande kvist/kvistar 11) Uppmätt djup
– sprickans uppmätta djup där sprickan ansågs vara djupast, alt. i sprickans mittzon 12) Genomgående
– om sprickan var genomgående noterades med aktuella sidor, t.ex. A-C (= genomgående från sida A till sida C)
Insamlad data som utgjordes av ovanstående parametrar sparades tillsammans med tidigare insamlad data från maskinell avsyning med WoodEye, bilaga 3.
I samband med itusågning av provmaterialet fotodokumenterades även varje planka med lämpligt ändträsnitt som tydligt visade plankans karaktär i form av årsringskrökning samt vilken sida som utgjorde märg- respektive splintsida. Varje ändträsnitt kom oftast också att
∗
innehålla minst en av de med spritbetsen synliggjorda sprickorna. Bilderna finns samlade i bilaga 4. Vilken spricka som motsvarar respektive bild redogörs för i bilaga 3.
Provmaterialets medelfuktkvot undersöktes på nytt i samband med itusågning. Efter 3 veckors konditionering fastställdes materialets medelfuktkvot till 14,1 % med hjälp av torrvikts-metoden, enligt bilaga 2.
2.2.5 Sammanställning
Med hjälp av insamlad materialdata, dels från maskinell avsyning med WoodEye och dels från manuella mätningar och noteringar, har efterföljande analyser och utvärderingar genomförts.
Eventuella samband mellan sprickors ytliga dimensionsvärden, erhållna vid avsyning med WoodEye, i relation till sprickors djup har studerats för samtliga sprickor, torksprickor, samt för respektive spricktyp. Eftersom sprickor belägna i virkesändar förmodligen kan anses ha andra egenskaper än sprickor belägna i virkesmittzoner har även en sådan indelning gjorts för att där studera eventuella samband mellan sprickors bredd, längd och djup, figur 2.5.
Vidare har förhållanden hos genomgående sprickor i provmaterialets ändzoner studerats för att finna eventuella samband mellan hur en genomgående spricka är positionerad på virkets ovansida i relation till virkets undersida.
Noggrannheten vid avsyning med WoodEye med avseende på mätvärden och defekt-detektering har också studerats och analyserats utefter insamlad materialdata.
Resultatet från de praktiska försöken har redovisats i form av överskådliga tabeller, stapel- och spridningsdiagram. I efterhand har även resultatet jämförts med, och om möjligt knutits an till, tidigare gjorda litteraturstudier. Utifrån detta och redovisat resultat har en diskussion förts och slutsatser har kunnat dras.
I projektet har det även sammanställts ett omfattande teoriavsnitt som grundligt redogör för vilka sprickor som kan förekomma i trä, varför de uppstår, samt hur olika
sorterings-anvisningar och standarder bedömer sprickor.
För att bli införstådd med bakomliggande faktorer till sprickors påverkan av mekaniska och fysikaliska egenskaper hos trä ansågs även en allmän teoretisk redogörelse över trä som material vara nödvändig. Ett allmänt teoriavsnitt om trä har därför sammanställts, vilken belyser uppbyggnad och struktur, fysikaliska egenskaper, biologisk beständighet samt kvalitetsbedömning av virke.
Figur 2.5 Illustration över ett virkesstyckes änd- respektive mittzon – A) Virkets ändzoner. B) Virkets mittzon.
3 Allmänt
om
trä
Materialet trä är som råvara förnyelsebart, återanvändbart och återvinningsbart. I förhållande till sin styrka är trä ett anmärkningsvärt lätt material som dessutom är lätt att förädla vilket medför att energiförbrukning är relativt låg vid hantering och tillverkning av träprodukter. Således kan trä även anses vara en energibesparande råvara. Fördelarna med trä som material, i synnerhet till byggnader och konstruktioner, är alltså flera.
Då trä som material kan användas till en mängd olika ändamål är det viktigt att känna till hur trä beter sig under olika betingelser. Det är ett välkänt faktum att virkets egenskaper varierar vida mellan olika träslag, men även inom samma träslag kan virkets anatomiska, fysikaliska och kemiska egenskaper variera stort. Detta beror t.ex. på plantans egenskaper, växtplats, skogsskötselmetoder etc. Största variationen återfinns dock inom stammen på ett och samma träd, här växlar strukturen på virket beroende på naturliga variationer och på störningar och fel av olika slag. För att förstå hur trä som material kan tillämpas i olika situationer är det därför viktigt att vara väl förtrogen med träets uppbyggnad och struktur, dess fysikaliska egenskaper och vad som påverkar dessa samt vilka faktorer som påverkar dess biologiska beständighet.
Kvalitetsbedömning av virke görs antingen visuellt eller maskinellt med avseende på ett stort antal parametrar som i mångt och mycket har att göra med virkets anatomiska, fysikaliska och kemiska egenskaper. Framförallt är olika särdrag hos virket särskilt intressant vid utseende- och hållfasthetssortering, t.ex. kvistar, sprickor, snedfibrighet, missfärgningar, deformationer, insektsskador etc.
3.1 Uppbyggnad och struktur
Trä är hos barrträden enligt Bergman et al. (1997) sammansatt av cellulosa (ca 50 %), hemicellulosa (ca 20 %), lignin (ca 30 %) samt några få procent extraktivämnen (ofta kallat kåda). Extraktivämnen är uppbyggda av en mängd olika ämnen, vilka kan indelas i grupperna skyddsämnen, näringsämnen och oorganiska ämnen. Sammansättningen varierar beroende på trädslag samt var trädet som virket kommer ifrån har vuxit.
Makrostrukturen hos gran och tall är relativt lik i sin uppbyggnad, figur 3.1. I trädstammens centrum ligger märgen som omsluts av kärnved och splintved. Kärnveden, som bildas då trädet är mellan 30-50 år, består av döda celler som till viss del är tilltäppta av extraktiv-ämnen. De tilltäppta cellerna gör att kärnveden inte kan leda vatten vilket innebär att
kärnveden i ett växande träd har en relativt låg fuktkvot, 30-50 %. Fuktkvoten anger fuktens procentuella andel av materialets torra massa. Enligt Bergman et al. (1997) består splintveden till 90-95 % av döda celler, resterande fem till tio procent består av näringsledande parenkym-celler. Splintvedens celler leder vatten, vilket i ett växande träd ger en fuktkvot på mellan 120 och 160 %. Hos yngre träd återfinns splintveden direkt utanför märgen.
Utanför veden ligger stammens tillväxtlager, kambiet. Kambiet omsluts av barken som skyddar trädet mot uttorkning och skador. Barken består i sin tur av två lager: bastbark och ytterbark. Innerst finns bastbarken som har till främsta uppgift att transportera näring nedåt genom stammen från assimilationsorganen. Bastbarken står i direkt förbindelse med märgen genom märgstrålar, vilka är levande i splintveden men döda i kärnveden. Utanför bastbarken återfinns ytterbarken som är uppbyggd av döda celler.
Figur 3.1 Trädstammens uppbyggnad för gran och tall med träets strukturella huvudriktningar angivna. Figuren illustrerar även ett utdrag av en årsring (Träguiden 2008).
Trä bildas genom att näringssalter och vatten sugs upp via trädets rötter, genom stammens splintved, och ut genom grenarna till trädets assimilationsorgan (barr och löv). Trädet tar upp koldioxid och avger vatten genom assimilationsorganens klyvöppningar. Fotosyntesen sker under inverkan av solljus, då koldioxid och närsalter omvandlas till näring som transporteras ned genom stammen i trädets bastbark för vidare distribution till alla växande celler i hela stammen och ända ut till trädens rothår. Näringen består bl.a. av glukos som trädet vid sin tillväxt använder för att bygga upp cellulosakedjor med. Cellulosamolekylerna buntas samman till mikrofibriller, figur 3.2, vilka utgör stommen i vedens trakeider (ofta kallade vedfibrer inom industrin).
Figur 3.2 En principskiss över hur fiberväggen är uppbyggd av cellulosakedjor och mikrofibriller (Träguiden 2008).
Mikrofibrillerna bygger upp cellväggen, där de ligger i fyra lager, figur 3.3. Det yttre lagret, kallat det primära lagret, anses stå för trädets elasticitet och består av ett antal oregelbundet ordnade fibriller. De tre sekundära lager som ligger innanför detta anses stå för vedens hållfasthet. Totalt består de tre mikrofibrillskikten av 40-160 fibrillager. Varje skikt har sin egen stignings- och lutningsvinkel, där en del skikt är vänstervridna medan andra är
Figur 3.3 Ett tvärsnitt över hur vedens cellvägg är uppbyggd med fyra mikrofibrillager (Träguiden 2008).
Vedens trakeider är till utseendet tunna och långsmala. I längd kan de variera mellan 0,5 och 6 mm beroende på var i stammen de är belägna. Dessa porförsedda och ihåliga celler utgör 90-95 % av barrvedens celler och har till uppgift att såväl stödja trädet som att leda näring från rötterna till assimilationsorganen. Resterande 5 till 10 procent av veden består av paren-kymatiska celltyper. Dessa lagrar näringsämnen och leder näring såväl radiellt som vertikalt i stammens splintved. Trakeiderna dör när de är färdigbildade medan parenkymcellerna lever till dess att kärnveden omsluter dem.
Under trädets tillväxtperiod bildas nya vedfibrer i kambiet. Beroende på när under tillväxt-perioden fibern bildas blir cellväggen olika tjock. Under våren och försommaren bildas vårveden, som består av ett färre antal fibrillskikt än sommarveden som bildas på hög- och sensommaren. Då sommarvedens fibervägg enligt Bergman et al. (1997) är avsevärt tjockare så är den även tre gånger tyngre än vårvedens. Således är det en stor densitetsskillnad mellan vår- och sommarved, vilket gör att vårveden syns som en ljusare ring än sommarveden. En tillväxtperiods vårved respektive sommarved utgör tillsammans en årsring i stammens tvärsnitt, figur 3.1.
Vidare menar Bergman et al. (1997) att sommarvedens fibrer är 20-25 % längre än vårvedens, vilket gör att sommarvedens fibervägg är starkare och styvare än vårvedens. Dessutom är ringporerna mindre och färre i den tjockare fiberväggen, vilket medför att vätskepermeabili-teten är lägre i sommarveden än hos vårveden. Den lägre permeabilivätskepermeabili-teten innebär att
vattenupptagning och uttorkning går långsammare i sommarved än i vårved.
Den ved som återfinns från märgen till den 10-15:e årsringen benämns ungdomsved (ej att förväxla med kärnved). Denna märgnära ved har till stor del andra egenskaper än veden längre ut mot kambiet, vilket ofta yttrar sig i att det märgnära virket ofta vrider sig eller spricker vid torkning. Ungdomsveden har dessutom lägre densitet, styvhet och hållfasthet än den kambienära veden. Detta beror på att ungdomsvedens fibrer jämfört med fibrer nära kambiet är klenare, mindre, har fler och större ringporer, samt har större mikrofibrillvinkel och högre ligninhalt (Bergman et al. 1997).
3.2 Fysikaliska egenskaper
Trä är en mycket heterogen råvara. Virkets såväl fysikaliska som kemiska och anatomiska egenskaper varierar beroende på ett otal faktorer, t.ex. plantans egenskaper, växtplatsens geografiska läge, bonitet, klimat, trädets sociala ställning i beståendet, varifrån i stammen virket kommer, skogskötselmetoder etc.
Vidare är trä ett hygroskopiskt och ortogonalt anistropt material, vilket innebär att det både kan avge och uppta fukt från omgivningen samt att dess egenskaper är olika i olika riktningar. I fiberriktningen, (längsriktningen) är trä exempelvis avsevärt starkare än vinkelrätt tvärs fibrerna, tabell 3.1.
Tabell 3.1 Ungefärliga hållfasthetsvärden för felfritt gran- och furuvirke med en densitet på ca 420 kg/m3 och med en fuktkvot på ca 12 % (Träguiden 2008).
Fiberriktning längs (Mpa) tvärs (Mpa) Draghållfasthet Tryckhållfasthet Skjuvhållfasthet 100 50 10 3 7 5
Med ortogonalt anisotropt menas att det i en trädstam kan urskiljas tre symmetriplan, vilka är vinkelräta i förhållande till varandra. De olika symmetriplanen betecknas som längsriktning, radiell led samt tangentiell led, figur 3.1.
Som nämnts tidigare kan trä avge och ta upp fukt ur luften. Mängden fukt i trä redovisas som fuktkvoten, ekv. 1, vilket är kvoten av vattnets massa i fuktigt material och massan av det uttorkade materialet (Esping 1992).
100 0 0 × − = m m m u u (1) där: u = fuktkvot [%]
= träets massa vid fuktkvot u
u
m
= träets massa vid absolut torrt trä
0 m
Trä strävar efter att komma i jämvikt med den omgivna relativa luftfuktigheten. Då jämvikt mellan trä och luft inträder uppnås den s.k. jämviktsfuktkvoten, vilken beror på förutom luftfuktigheten dessutom på temperaturen. Vid torkning av trä avgår först det kapillära vattnet i cellerna med en hastighet som motsvarar avdunstningen från en fri vattenyta. När allt fritt vatten har avdunstat inträder den s.k. fibermättnadspunkten (25-30 % fuktkvot). Vid torkning under fibermättnadspunkten avgår vattnet i cellväggarna och vattenångan i cellhålrummen, vilket går avsevärt långsammare än avdunstningen av det fria vattnet. Virket börjar krympa först när torkning sker under fibermättnadspunkten. På samma sätt sväller trä då fukt tillförs. Rörelsen är linjärt proportionell mot förändringen av fuktkvoten. P.g.a. anisotropin är dock fuktrörelserna olika stora i olika riktningar, tabell 3.2. Gran och furu har ungefär lika stora fuktrörelser. För övriga trädslag är fuktrörelser olika stora.
Tabell 3.2 Ungefärliga fuktrörelser hos furu och gran mellan fibermättnad och absolut torrt trä (Träguiden 2008). Riktning Fuktrörelser [%] Tangentiellt Radiellt I fiberriktning Volymändring ca 8 ca 4 ca 0,4 ca 12
Eftersom fuktkvoten i nysågat virke varierar kraftigt, 30-160 %, torkas det vanligtvis ned till under 20 % fuktkvot för att möjliggöra lagring utan kvalitetsförluster. I och med träets anistropiska egenskaper föreligger det en stor risk att träet spricker eller vrider sig under torkning. Således är torkningsfasen en ytterst viktig aspekt i sågverksprocessen. Beroende på var i stammen och hur plankan eller brädan sågas ur yttrar sig vid torkning formförändringar olika, figur 3.4. Kupighet är direkt beroende av detta och beror på parametrarna bredd, tjocklek, fuktkvot, densitet samt fiberorientering. Övriga förekommande formförändringar är skevhet, kantkrokighet samt flatböj. Dessa beror till största del på inverkan från reaktionsved, ungdomsved och växtvridenhet. Enligt Träguiden (2008) ger en växtvridenhet där fibrerna lutar mer än 3° i förhållande till märgen med största sannolikhet ett sågat virke med oacceptabelt stor skevhet.
Figur 3.4 Formförändringar yttrar sig olika vid torkning beroende på var i stammen plank/bräder sågas ur (Träguiden 2008).
Eftersom trä strävar efter jämvikt med omgivningens relativa fuktighet är det fördelaktigt att torka virke till en fuktkvot som svarar mot omgivningens temperatur och relativa fuktighet på den plats där träprodukten skall användas. Om inte virket torkas till jämviktsfuktkvoten innan vidare förädling är risken stor att virket i färdig slutprodukt kommer att deformeras eller spricka. I sågverksindustrin torkas virket ned till olika fuktkvoter som är anpassade till kommande slutanvändning och benämns därefter, exempelvis som:
• skeppningstorrt – ca 18 % fuktkvot, • snickeritorrt – 10-15 % fuktkvot, • möbeltorrt – 6-10 % fuktkvot.
En svensk standard för fuktkvotsklasser, SS 23 27 40 – Trävaror – Sågat och hyvlat virke av
barrträ – Fuktkvot, är framtagen för att användas vid leverans till slutförbrukaren, tabell 3.3. Tabell 3.3 Fuktkvotsklasser enligt svensk standard (SS 23 27 40).
Fuktkvotsklass Fuktkvot Ungefärligt användningsområde (se respektive produktstandard)
8 6-9,5 % Brädgolv Möbler Inredningar 12 9-14 % Innerpaneler Limträ Innertrappor Fönster och dörrar
18 12-22 %
Ytterpaneler Konstruktionsvirke Övrigt Byggvirke Impregnerat virke
S ≤ 24 % Virke som ska färdigtorkas hos köparen
Eftersom träets uppbyggnad och fuktkvot varierar i stammens tvärsnitt blir slutfuktkvoten i ett virkesstycke efter torkning sällan exakt den önskade. Virkesstycket får alltid en viss
fuktkvotsspridning, en s.k. fuktkvotsgradient av varierande grad. Genom en konditionering i virkestorken, en utjämningsfas i slutet av torkprogrammet, reduceras torkspänningar och fuktkvotsvariationer i virkets tvärsnitt.
Som tidigare påpekats varierar hållfasthetsegenskaperna i träets olika riktningar p.g.a. anisotropin. Dessutom är hållfasthets- och elasticitetsegenskaperna till stor del beroende på virkets densitet, fuktkvot, temperatur, fiber- och årsringsriktningar samt tillväxtstörningar som kvistar, sprickor, kådlåpor, snedfibrighet och barkavdrag. Dinwoodie (2000) hävdar t.ex. att ett torrt virkesstycke är starkare än ett fuktigt likväl som ett varmt virkesstycke är starkare än ett kallt. Vidare menar Dinwoodie (2000) att kvistar är det virkesfel som anses ha störst inverkan på hållfastheten, där kvistens storlek och placering utgör de mest betydelsefulla parametrarna.
Hållfastheten hos felfritt virke anses enligt Bergman et al. (1997) generellt sett vara
proportionell mot virkets densitet. Senvuxet virke har högre densitet än frodvuxet virke, vilket innebär att hållfastheten hos virke sjunker i takt med att årsringsbredden ökar. Då sommarved hos barrträd har tre gånger så hög densitet än vårved ökar således också hållfastheten ju mer sommarved virket innehåller.
Inom samma träslag i ostörd fiberstruktur anses enligt Träguiden (2008) egenskaperna för densitet, hållfasthet och elasticitetsmodul normalt sett variera enligt följande:
• densitet: ±15 %, • hållfasthet: ±40 %, • elasticitetsmodul: ±35 %.
3.3 Biologisk beständighet
Trä är ett organiskt material som ingår i det naturliga kretsloppet, därför angrips trä förr eller
senare av mikroorganismer som bryter ned veden till CO2, vatten och näringsämnen. Vid
fullständig nedbrytning är kretsloppet fulländat. Detta faktum är träets stora nackdel ur förädlings- och användarsynpunkt. Mikrobiella angrepp kan på mycket kort tid skada nyavverkat virke och på så sätt bidra till stora kvalitetsförsämringar.
De mikroorganismer som normalt sett angriper virke är bakterier, blånadssvampar,
mögelsvampar och rötsvampar. Vidare kan virke också angripas av insekter som i sin tur kan föranleda blånad och andra missfärgningar. Om fuktkvoten i en träprodukt hålls under 20 % och den relativa luftfuktigheten inte varierar alltför kraftigt angrips normalt sett inte träet av mikroorganismer.
Genom att välja rätt träslag, trästycke, produktionsmetod, konstruktion och ytbehandling är det möjligt att förlänga tiden avsevärt till dess att trä börjar brytas ned. Som exempel kan nämnas att kärnved hos furu, ek och lärk har relativt stor motståndskraft mot mikrobiella angrepp då den inte är i direkt beröring med mark eller vatten. Splintved från dessa trädslag är inte fullt lika beständig, vilket gör att sådant virke lämpar sig bäst för inomhuskonstruktioner. Granved anses utgöra ett sämre skydd än t.ex. furukärnved, men är ändock väl lämpat för utomhuskonstruktioner ovan jord.
3.4 Kvalitetsbedömning av virke
Virkets kvalitet beror på ett otal faktorer, såsom plantans egenskaper, den miljö och det klimat trädet vuxit i, hur skogen skötts, strukturvariationer inom virket samt på tillväxtsstörningar och fel av olika slag. Tillväxtstörningar kan leda till t.ex. sprickor, kådlåpor, bildandet av reaktionsved etc.
Det finns en rad olika svenska, europeiska samt nationella sorteringsstandarder (SS-EN, EN, ISO m.fl.) som alla har som avsikt att möjliggöra en rationell kvalitetsbedömning av virke utifrån givna definitioner av särdrag, krav och mätregler. Vid mätning av olika särdrag är det lämpligt att använda en standardiserad mätmetod som bäst passar den produkt som skall tillverkas. För att ta fram och utveckla nya såväl som befintliga europeiska standarder för exempelvis konstruktionsvirke, virkeskvalitet, dimensionering, beständighet, provnings-metoder etc. pågår ett fortgående aktivt arbete inom ett antal tekniska kommittéer som sammansatts för ändamålet (Träguiden 2008).
Metoden för att beskriva en virkeskvalitet görs enligt Casselbrant et al. (2000) i följande ordning: först väljs de särdrag som är viktiga, därefter den mätregel särdraget skall mätas med, och till sist väljs det sätt som det individuella kravet skall formuleras på. Beroende på vilket syfte sorteringen har fås olika synsätt på det som en virkesyta visar upp. Ur hållfasthets-synpunkt kan t.ex. en kvist vara en självklar defekt som bidrar till försämrade
En fullständig beskrivning av ett virkesstycke kräver att en mängd egenskaper identifieras. Enligt Casselbrant et al. (2000) är följande struktur lämplig:
1) Allmänt om virke
– träslag, mått, fukt i trä, placering på stycke 2) Kvist
– kvistform, kvistbeskaffenhet, sprucken kvist , kvistens färg, inbördes gruppering 3) Övriga naturliga särdrag
– barkdrag/lyra, kåda, reaktionsved, snedfibrighet, fiberstörningar, kärnved/splintved, märg, ungdomsved
4) Biologiska angrepp och missfärgning
– svamp- och bakterieangrepp, insektsskador, missfärgning, våtlagringsskada 5) Övriga materialparametrar
– deformationer, fysikaliska egenskaper, årsringar, kemisk behandling 6) Spricka
– torkspricka, ändspricka, ringspricka, minisprickor, tvärspricka, fäll-, kap- och stormspricka, spricka över hörn
7) Produktionsrelaterade egenskaper – vankant, hanteringsskada, ytkvalitet 8) Produktionsparametrar
– våtlagring, sågningsmönster, virkestyper som resultat av sågningsmönster 9) Stock
– bestånds- och avverkningsparametrar, avverkningstyp, yttre form, stocktyp
3.4.1 Handelssortering
På svenska sågverk skall sågat virke av furu och gran officiellt sett bedömas vid visuell sortering enligt Nordiskt trä eller standarden SS-EN 1611-1 – Handelssortering av sågade
trävaror i Europa. Sorteringsreglerna i Nordiskt trä gäller i hela Norden och utkom 1994 av
”1991 års Nordiska Virkessorteringskomitté” som en reviderad och uppdaterad version av den s.k. ”Gröna boken” (Sortering av sågat virke av furu och gran) från 1960. Enligt reglerna i Nordiskt trä sorteras virket i fyra sorter: A, B, C och D, där sort A motsvarar den högsta kvaliteten. Sorten A kan i sin tur underindelas i sorterna A1-A4 (Anon 1994).
Det kan vara av intresse att jämföra Nordiskt trä med reglerna i ”Gröna boken” eftersom den sistnämnda än idag till viss utsträckning används som handelssortering på svenska sågverk. Enligt ”Gröna boken” (Anon 1960) sorteras virke i sex sorter, där sort I står för högsta kvalitet. Sort I-IV samlas vanligen under benämningen O/S. Därefter följer sort V som ofta benämns kvinta och sort VI som benämns utskott.
Vid jämförelse med Nordiskt Trä gäller enligt Träguiden (2008) följande: • sort I-IV motsvarar sort A,
• sort V motsvarar sort B, • sort VI motsvarar sort C.
Europastandarden SS-EN 1611-1 (2000) har stora likheter med Nordiskt Trä. Förutom sorteringanvisningar för furu och gran omfattar standarden anvisningar för silvergran och Douglasgran. Tidigare sorteringsregler har alltid omfattat fyrsidig sortering, men här kan även tvåsidig sortering tillämpas. Sorterna kallas då G2 respektive G4. Sortbeteckningarna följs av en siffra som anger virkets kvalitet, 0-4, där 0 står för högsta kvalitet (Träguiden 2008).
3.4.2 Hållfasthetssortering
Konstruktionsvirke som är avsett för användning till bärande konstruktioner sorteras antingen visuellt eller maskinellt. Vid visuell sortering beaktas de synliga faktorer på virkesytorna som anses påverka hållfastheten, såsom kvistar, sprickor, snedfibrighet, hål, form och svamp-angrepp m.m. Maskinell hållfasthetssortering kan utföras antingen genom avsyning av virkets yttre egenskaper, eller genom avbildning av virkets inre egenskaper. För båda ändamålen finns det en rad olika metoder och utrustningar att tillgå, tabell 3.4 nedan ger exempel på detta. Ur industriell synvinkel är det i regel endast intressant att använda oförstörande mätmetoder för hållfasthetsklassificering av trä.
Tabell 3.4 Exempel på avgörande parametrar för virkesegenskaper, samt vilken teknik som kan användas för oförstörande identifiering, mätning och hållfasthetssortering av trä (Eliasson 2005).
Parameter Uppmätt egenskap Teknik eller utrustning
Fuktkvot
Dielektriska egenskaper Termiska egenskaper Strålningsabsorption Elastiska egenskaper
Impedans, mikrovågor, IR, NMR IR Röntgen, gammastrålning Frekvensresonansmätning, ultraljud Densitet Vikt Joniserande strålning Dialektriska egenskaper Mekaniska egenskaper Vägning
Dämpning av röntgen-, beta och gammastrålning Mikrovågsteknik Intrycksdjup Fiberriktning Elastiska egenskaper Dielektriska egenskaper Ljusspridning Termiska egenskaper Ultraljud Mikrovågor Laser, synligt ljus IR Kvistar Optiska egenskaper Elastiska egenskaper Joniserande strålning Termiska egenskaper Elektriska egenskaper Kamera, färgmätning Mikrovågor, tomografering Röntgentomografering, gammatomografering IR-termografering, lasertermografering Mikrovågor, magnetresonans Röta Elastiska egenskaper Mekaniska egenskaper Dielektriska egenskaper Joniserande strålning Vibration, ultraljud Intrycksdjup Mikrovågor Röntgentomografering
Styrka Statiska egenskaper Dynamiska egenskaper Akustiska egenskaper
Hållfasthetsprovning, provbelastning Vibrerande metoder och ultraljudsmetoder Ljudemission
Vid visuell hållfasthetssortering användes i Sverige tidigare de s.k. ”T-virkesreglerna” (Instruktion för sortering och märkning av T-virke) som utkom med första upplagan redan 1951 (Anon 1981). T-virkesreglerna har efterhand ersatts av gemensamma nordiska
sorteringsregler (SS 23 01 20 – Träkonstruktioner – Konstruktionsvirke – Nordiskt T-virke) som behandlar trädslagen furu, gran, ädelgran och lärkträ. Virket märks enligt SS 23 01 20 (1998) med sorteringsklass T3, T2, T1 och T0 och hållfasthetsklass K30, K24, K18 och K12 (där K står för konstruktionsvirke).
Numera finns det en europeisk standard för hållfasthetsklasser hos konstruktionsvirke, SS-EN
338 – Träkonstruktioner – Konstruktionsvirke – Hållfasthetsklasser. I SS-EN 338 (2003)
anges hållfasthetsklasserna C14, C16, C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, C45 och C50. Numret står för den karakteristiska böjhållfastheten i respektive klass, uttryckt i MPa. För varje hållfasthetsklass anges förutom hållfasthetsvärden också elasticitetsmodul och densitet. Klasserna C18, C24 och C30 anses överensstämma ganska väl med K18, K24 respektive K30 i SS 23 01 20.
För visuellt eller maskinellt sorterat konstruktionsvirke används SS-EN 14081 (2005), vilken finns i fyra delar:
1) EN 14081-1 - Timber structures - Strength graded structural timber with rectangular
cross section - Part 1: General requirements.
2) EN 14081-2 - Timber structures - Strength graded structural timber with rectangular
cross section - Part 2: Machine grading - Additional requirements for initial type testing.
3) EN 14081-3 -Timber structures - Strength graded structural timber with rectangular
cross section - Part 3: Machine grading - Additional requirements for factory production control.
4) EN 14081-4 - Timber structures - Strength graded structural timber with rectangular
cross section - Part 4: Machine grading - Grading machine settings for machine controlled systems.
Virke sorterat enligt SS-EN 14081 märks med europeiska hållfasthetsklasser enligt SS-EN 338.
4
Allmänt om sprickor och sprickbildning
En spricka i ett virkesstycke defineras enligt Casselbrant et al. (2000) som en öppning mellan vedcellerna. Beroende på storlek och karaktär anses sprickor vara ett särdrag som i varierande grad medför en negativ inverkan på träets hållfasthetsegenskaper. Det finns flera olika
spricktyper som kan uppkomma av olika orsaker. Huvudsakligen uppstår de då träet torkar, men de kan också uppkomma p.g.a. mekaniska påkänningar eller ovarsam virkeshantering. Uppfattningen om vilka spricktyper som existerar och definitioner av dessa kan variera något beroende på vilken standard eller sorteringsanvisning som tillämpas. Vanligt är att dela in sprickor i torksprickor och övriga sprickor. Utförliga sprickbeskrivningar med indelning och karaktärisering har utförts av Esping (1988) och Casselbrant et al. (2000). En kombination av dessa ger en lämplig indelning enligt tabell 4.1.
Tabell 4.1 Olika spricktyper och dess indelning
Torksprickor
(delas in i genomgående, eller ej genomgående) Övriga sprickor • Splintsidespricka (ytsidespricka) • Kantspricka • Märgspricka • Minisprickor o Ytsprickor o Mikrosprickor • Inre sprickor • Ändspricka • Kärnspricka • Ringspricka • Frostspricka
• Fäll-, kap- och stormspricka • Fallspricka
• Tvärspricka • Spricka över hörn
För benämningar på virkets flat- respektive kantsidor, se figur 4.1 nedan.
Figur 4.1 Benämningar på virkets flat- respektive kantsidor, samt de olika huvudriktningarna i träet (Esping 1988).
I tabell 4.2 redogörs för när i virkeshanteringen olika spricktyper uppstår, undantaget spricka över hörn och tvärspricka som kan antas uppstå vid flera tillfällen före, under och efter uppsågning.
Tabell 4.2 De led i virkeshanteringen då olika spricktyper uppstår (Esping 1988).
Uppkomst Typ av spricka
I det växande trädet
Kärnspricka Ringspricka Frostspricka
Vid avverkning/stormfällning Fäll-, kap- och stormspricka
Mellan avverkning och sågning Torksprickor vid barkavslag och i stockens ändträytor Mellan sågning och torkning i virkestork Fall- och torkspricka
Under torkning i virkestork eller i brädgård Torkspricka
I följande teoriavsnitt används virkesbenämningar som centrumutbyte, sidoutbyte, plank och
bräder enligt definitioner av Nordiskt Trä (Anon 1994):
• Centrumutbyte: ”sågat virke som tas ut ur stockens centrumdel”.
• Sidoutbyte: ”sågat virke som tas ut ur stockens ytdel utanför centrumutbytet”. • Plank: ”centrumutbyte med en virkestjocklek av minst 32 mm kallas oftast plank”. • Bräder: ”sidoutbyte med en virkestjocklek mindre än 32 mm kallas oftast bräder”.
4.1 Torksprickor
Ett av de vanligaste torkfelen som uppkommer i samband med torkning anses vara tork-sprickor (längstork-sprickor). Dessa orienterar sig efter fiberriktningen, vilket innebär att virke som ej sågas efter fiberriktningen kan komma att uppvisa sneda torksprickor i virkesytan. Detsamma gäller för kraftigt växtvridet virke. Värt att notera är att sneda torksprickor normalt sett bedöms hårdare än raka torksprickor vid kvalitetsbedömning (Esping 1988).
Orsaken till varför torksprickor uppkommer kan enligt Salin (2001) förklaras på följande sätt: Vid torkning torkar virkets yttre delar snabbare än dess inre delar. Fibermättnadspunkten passeras först av virkesytan, vilket innebär att virkets yttre delar börjar krympa först. Virkets inre fuktigare delar motverkar ytans krympning och därigenom uppstår det dragspänningar i ytskiktet som fortgår under en lång tid av torkningen. Dragspänningen balanseras av en tryckspänning i virkets inre delar. I de fall då dragspänningen blir för hög uppstår det en spricka i ytskiktet. Således uppstår torksprickor till följd av krympningsinitierad hög dragspänning i virkesytan.
Vidare menar Salin (2001) att utifall torkningsförloppet fortskrider efter det att även virkets inre delar passerat fibermättnadspunkten kan ett omvänt spänningsförhållande i virkesstycket uppnås, dvs. tryckspänning i ytskiktet och dragspänning i de inre delarna. Detta får till följd att virkets inre delar börjar krympa. Enligt Esping (1988) gör denna tryckspänning i ytskiktet att virket blir s.k. ythårt.
Nordiskt Trä (Anon 1994) menar att en torksprickas djup och bredd oftast står i proportion till hur lång den är.
I en jämförelse mellan de vanligaste svenska trädslagen, furu och gran, anses enligt Esping (1988) furu vara mer sprickbenäget än gran. Med sprickbenägenhet menas hur lätt sprickor uppträder i ett trämaterial jämfört med virkesstycken i andra trädslag, i samma dimensioner, som utsätts för samma torkningsbetingelser.
Förutom att dela in torksprickor efter karaktär väljer Casselbrant et al. (2000) att kategorisera torksprickor som antingen genomgående eller ej genomgående, vilket också tillämpas i sorteringsanvisningar som Nordiskt Trä och SS EN 14081-1.
Det bör påpekas att flera av de övriga sprickor som särskiljs från torksprickor även kan utvecklas och framträda först vid torkning av virket, då syftas främst på ändsprickor och ringsprickor (Esping 1988).
4.1.1 Splintsidespricka (ytsidespricka)
Ur ekonomisk synpunkt är det enligt Esping (1988) splintsidesprickor som är de allvarligaste torksprickorna hos centrumutbytet. Dessa sprickor anses i regel alltid följa fiberiktningen och yttra sig mitt på splintsidan, figur 4.2.
Figur 4.2 Splintsidespricka.
Vidare menar Esping (1988) att det finns två grundorsaker till att denna typ av spricka uppstår:
1) Då trä är ett material med ansiotropa egenskaper krymper det olika i radiell
respektive tangentiell riktning. Spänningar och sprickbildningsrisker ökar ju närmre virket är sågat märgen.
2) Under torkning inträder en fuktkvotsgradient av varierande grad i virket, dvs. virket
får olika fuktkvoter genom tvärsnittet. Krympningen är kraftig i virkets yttre delar medan det i virkets inre delar är en måttlig eller obefintlig krympning, på så sätt uppstår spänningar eller sprickbildning.
I sidobräder utvecklas ofta en större fuktkvotsgradient än i centrumutbytet, detta p.g.a. sidobräder vanligen torkas hårdare (med högre psykrometerskillnad i förhållande till
fuktkvoten) än centrumvirke. Sidobräder spricker dock i regel mindre än centrumvirke p.g.a. att sidovirket är sågat betydligt längre bort från märgen än bräder från centrumutbytet (Esping 1988).
I och med att fuktkvotsgradienten i regel varierar hos nytorkat virke kan splintsideprickor som gjorts synliga under torkning minska och delvis gå igen efter torkning under den tid då virket placeras i en, jämfört med virkestorken, fuktigare lagermiljö. Detta p.g.a. att virkesytan mer eller mindre fuktas upp beroende på rådande klimat (Esping 1988).
Problemet går till viss grad att åtgärda genom att i virkestorken fuktkvotsutjämna virket genom en höjning av luftfuktigheten vid bibehållen torrtemperatur. Samtidigt konditioneras virket varvid en effektiv spänningsutjämning erhålls (Esping 1988).
Enligt Esping (1988) kan i övrigt följande antaganden göras angående splintsidesprickor:
• För grovt centrumutbyte som är skeppningstorrt är sprickvidden ungefär
proportionell mot sprickdjupet.
• Tunnare virke får grundare och smalare sprickor än grovt, vilket syns hos
klentimmer som genomsågats till bräder, figur 4.3.
• Årsingskrökningen har stor inverkan på sprickbildningsrisken. Stor årsringskrökning
innebär stor en sprickbildningsrisk, medan det vid liten årsringskrökning råder liten sprickbildningsrisk, figur 4.3.
• Splintsidesprickor i centrumbräder uppträder endast vid hård torkning. För
skeppningstorra centrumbräder är sprickvidden och sprickdjupet ungefär
proportionell mot virkestjockleken. Sprickvidden är sällan över en millimeter. Ofta rör det sig om minisprickor snarare än splintsidesprickor, vilket synliggörs först efter hyvling.
• Vid lägre fuktkvoter än skeppningstorrt är sambanden mellan sprickvidd, sprickdjup
och virkestjocklek mer oklara. Detta på grund av inverkan från basning och ythårdhet.
• För färskt timmer uppstår splintsidesprickor i sidobräder endast efter extremt hård
torkning.
• Då virket står ute länge under sommarhalvåret mellan sågning och torkning uppstår
gärna sprickor, vilket visar sig särskilt tydligt under blåsiga vår- och
försommardagar. Detta gäller speciellt för granvirke, virke med mycket kärnved och virke med kärnved som når ut på splintsidan.
• Korta sprickor kan lätt uppstå mellan stora fastvuxna kvistar i kvistvarv p.g.a.
Figur 4.3 Splintsidesprickors inverkan från virkestjocklek och årsringskrökning – A) Ett grovt virkesskikt med stor årsringskrökning får djupa och breda sprickor. B) Ett tunt virkesskikt med stor årsringskrökning får grunda och smala sprickor. C) Liten årsringskrökning i sidoutbyte innebär liten sprickbildningsrisk (Esping 1988).
4.1.2 Kantspricka
Jämfört med splintsidesprickor är kantsprickor sällsynta, figur 4.4. Om virket sågas så att märgen blir kraftigt förskjuten i sidled eller om virket har en mycket hög densitet kan en kantspricka uppstå. I övrigt gäller samma samband och förhållanden för kantsprickor som för splintsidesprickor (Esping 1988).
Figur 4.4 Kantspricka (Esping 1988).
4.1.3 Märgspricka
Märgsprickan definieras enligt Casselbrant et al. (2000) som: ”radiell torkspricka som utgår
från märgen, då märgen ligger inne i stycket”. Märgsprickor kan alltså uppstå i de fall då
märgen efter uppsågning hamnar inuti virkets tvärsnitt, figur 4.5 och 4.6.
