Szok mikroklimatyczny przy przenoszeniu obiektów drewnianych

This paper was published in “Konserwacja zapobiegawcza w muzeach”,
red. D. Folga-Januszewska, Krajowy Ośrodek Badań i Dokumentacji Zabytków,
Warszawa, 2007, 233-240
Szok mikroklimatyczny przy przenoszeniu obiektów
drewnianych
Ł. Bratasz, S. Jakieła, R. Kozłowski
Szok mIikroklimatyczny przy przenoszeniu obiektów drewnianych
ŁUKASZ BRATASZ , SŁAWOMIR JAKIEŁA, ROMAN KOZŁOWSKI
Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN, ul. Niezapominajek 8, 30-239 Kraków
Niekontrolowane wahania temperatury i wilgotności względnej stanowią
najpoważniejsze zagrożenie drewnianych dzieł sztuki. Wahania takie są powszechnie obecne
w otoczeniu obiektów zabytkowych. Wystarczy wymienić szczególnie gwałtowne perturbacje
spowodowane działaniem ogrzewania lub powstające w czasie transportu, czy przenoszenie
obiektów z pomieszczeń o klimacie naturalnym do pomieszczeń klimatyzowanych.
Naprężenia wywołane wahaniami parametrów klimatycznych są oczywiście
spowodowane higroskopijną naturą drewna i jego odpowiedzią wymiarową na sorpcję lub
desorpcję pary wodnej. Jeżeli swobodne pęcznienie elementu drewnianego przy wzroście
wilgotności względnej otoczenia zostanie ograniczone przez jakiekolwiek więzy, w drewnie
pojawią się naprężenia ściskające powodujące odkształcenia takie jak wypaczenia i
miażdżenie struktury wewnętrznej. Z kolei, jeżeli swobodny skurcz elementu drewnianego
przy spadku wilgotności względnej otoczenia zostanie ograniczony przez więzy, w drewnie
pojawią się naprężenia rozciągające prowadzące do nieodwracalnego odkształcenia, a przy
większych siłach, do pęknięć.
Opisany mechanizm niszczenia nie miałby miejsca, gdyby zmiany wymiarowe drewna
były całkowicie swobodne. W warunkach rzeczywistych, ograniczenia zmian wymiarowych
są powszechnie obecne. Ograniczenie te mogą być zewnętrzne na przykład wynikać ze
sztywnej konstrukcji ograniczającej ruch lub połączenia w jednym obiekcie elementów o
różnej orientacji włókien, a co za tym idzie zróżnicowanej odpowiedzi wymiarowej.
Drewno może również podlegać więzom wewnętrznym. Rozważmy jako przykład
proces oddawania wody przez element drewniany, w którego otoczeniu zachodzi spadek
wilgotności względnej. Ze względu na niewielką szybkość dyfuzji pary wodnej jedynie
zewnętrzna warstwa struktury drewnianej zareaguje na zmianę oddając szybko wodę do
otoczenia. Gradient zawartości wilgoci w przekroju drewna doprowadzi do zróżnicowanej
zmiany wymiarowej poszczególnych warstw drewna. Skurcz zewnętrznych, częściowo
wysuszonych warstw ulegnie ograniczeniu przez warstwy wewnętrzne, które nie oddały
jeszcze pary wodnej. Dlatego środkowa część elementu drewnianego zostaje ściśnięta, a w
warstwach zewnętrznych pojawia się naprężenie rozciągające. Opisane pole naprężeń może
powodować pęknięcia rzeźb drewnianych przebiegające od powierzchni do rdzenia po
kierunku promieniowym (il.1).
Zagadnieniem wielkiej wagi jest precyzyjna znajomość krytycznych poziomów wahań
parametrów mikroklimatycznych, powyżej których pojawiają się uszkodzenia w strukturze
drewna. Konieczna jest znajomość krytycznych amplitud i szybkości zmian. Niniejsza
publikacja podejmuje próbę określenia powyższych poziomów krytycznych dla cylindra z
drewna lipowego, stanowiącego przybliżenie rzeźby drewnianej. Szukane wielkości zostały
wyznaczone na drodze teoretycznego modelowania naprężeń opartego na mierzonych
laboratoryjnie właściwościach drewna lipowego oraz na drodze bezpośredniego
monitorowaniu uszkodzeń elementów drewnianych poprzez pomiar emisji akustycznej.
Il.2 przestawia obliczone w trakcie modelowania zmiany zawartości wody w
przekroju drewnianego cylindra o średnicy 13 cm, w otoczeniu którego zaszła skokowa
1
zmiana wilgotności względnej z 70 % do 30 %. Transport pary wodnej z wnętrza do
otoczenia przebiega bardzo powoli tak, że drewno w odległości 1 cm od powierzchni,
wykazuje zauważalną zmianę zawartości wody dopiero po 3 godzinach. Zmiana tego
parametru na tej głębokości po 24 godzinach stanowi zaledwie 30 % zmiany, jaka zaszła w
warstwie drewna przy samej powierzchni.
W trakcie dyfuzji pary wodnej z walca, zewnętrzne warstwy drewna ulegają
gwałtownym naprężeniom. Dzieje się tak, ponieważ wysuszony pierścień lipy podlega
skurczowi, który jest ograniczony przez nadal wilgotny rdzeń cylindra i który jeszcze nie
dostosował się do zmiany wilgotności na zewnątrz. Naprężenia, które powstają na
powierzchni, wynoszą ponad 5, 5 MPa i szybko zmniejszają się z odległością od powierzchni
(il.3).
Pojawiające się naprężenia są niebezpieczne, przekraczają bowiem 2,5-krotnie
graniczny poziom elastyczności (około 2 MPa dla 30 % wilgotności względnej) i zbliżają się
do końca obszaru plastyczności (około 6,3 MPa dla 30 % wilgotności względnej). Świadczy
to o znaczącym zagrożeniu powierzchni drewnianego cylindra pęknięciem. Przestawione
dane pokazują również fałszywość intuicyjnego przekonania niektórych opiekunów
zabytków, że obiekt drewniany jest bezpieczny, ponieważ nie ma czasu by odpowiedzieć na
szybką zmianę wilgotności. W rzeczywistości zewnętrzne warstwy drewna absorbuję i
uwalniają parę wodną powodując powstawanie naprężeń.
Maksymalne naprężenie przypada na początek zmiany wilgotności względnej. W
miarę wyrównywania się zawartości wody w przekroju drewna, naprężenia spadają.
Najmniejsze siły ustalają się, gdy całe drewno osiągnie nową równomierną zawartość wody,
która nie wyróżnia żadnego punktu ze struktury i odpowiada końcowej wilgotności względnej
otoczenia. Stan taki, dla którego naprężenia w całej strukturze drewnianej się wyrównują,
następuje dopiero po 20 dniach (il.4).
Modelowanie teoretyczne pozwala na opracowanie mapy naprężeń z zaznaczeniem
obszarów fluktuacji wilgotności powietrza, w których następuje zagrożenie drewna
zniszczeniem. Mapa taka uwzględnia nie tylko wielkość zmian wilgotności względnej, ale i
poziom tego parametru, od którego zmiana zaczyna się. Wyniki otrzymane dla zmiany
skokowej są przedstawione na il.5.
Z wykresu wynika, że każda zmiana wilgotności względnej ponad 15 % przekracza
graniczny poziom bezpiecznego, odwracalnego naprężenia elastycznego. Drewno wchodzi
wówczas w obszar plastyczny, w którym rozpoczynają się procesy niszczące. Zgodnie z
teorią elastyczności materiał, w którym naprężenia przekroczyły poziom plastyczności ulega
całkowitemu zniszczeniu. Naprężenia takie pojawiają się przy zmianie wilgotności względnej
większej niż 40 %, szczególnie w obszarze wysokich poziomów początkowych.
Przeprowadzone obliczenia wskazują również, że przechowywanie drewna w
wilgotności względnej w pobliżu 50 % jest najbezpieczniejsze, ale obszar odpowiedzi
elastycznej zawęża się, kiedy wilgotność względna przesuwa się w kierunku wyższych lub
niższych wartości. Omówiona obserwacja uwidacznia się na wykresie w postaci minimów
krzywych przypadających w okolice 50 %.
Krytyczne poziomy wahań wilgotności względnej wyznaczone na drodze
teoretycznego modelowania naprężeń, zostały potwierdzone na drodze bezpośredniego
monitorowania uszkodzeń elementów drewnianych poprzez pomiar emisji akustycznej.
Monitorowania fal dźwiękowych pochodzących od naprężeń i uszkodzeń w strukturze
materiałów jest szeroko stosowane w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej. Jednak
dopiero od niedawna metoda ta jest wykorzystywana do określenia mikropęknięć drewna,
2
spowodowanych zmianami temperatury i wilgotności otoczenia, które zagrażają zniszczeniem
lub deformacją drewnianych obiektów zabytkowych. Impulsy akustyczne są rejestrowane
przez odpowiedni czujnik przymocowany bezpośrednio do badanego obiektu (il.6), a ich
natężenie i częstotliwość są analizowane przy pomocy odpowiedniego aparatu
matematycznego. Można dzięki temu rozróżnić impulsy pochodzące od pękającej struktury
drewna, od impulsów związanych z tarciem poszczególnych elementów, czy innymi
rejestrowanymi sygnałami. Udaje się niwelować efekty pochodzące od dźwięków otoczenia.
Il. 7 pokazuje energie misji akustycznej zmierzone w laboratorium dla cylindrów z
drewna lipowego poddanych skokowej zmianie wilgotności względnej od wyjściowego
poziomu 70% do poziomu niższego wynoszącego kolejno 30 %, 40 %, 50 % i 60 %.
Największą energia uwalniana jest w ciągu pierwszej godziny od zmiany wilgotności
względnej w otoczeniu próbki. Świadczy to o wysokiej intensywności mikropęknięć
zachodzących w strukturze walca. Obserwowane zjawisko jest zgodne z otrzymanym
wynikiem teoretycznym, który wskazał na rozwój silnych naprężeń pojawiających się na
powierzchni cylindra na początku epizodu schnięcia (porównaj il.3). Intensywność pękania
drewna maleje wraz ze spadkiem wielkości zmiany wilgotności względnej, a w przypadku
zmiany o 10% (z 70 do 60%) uszkodzeń nie obserwuje się. Związane jest to ze zbyt małymi
naprężeniami, jakie pojawiają się w drewnie, co również zgadza się z wynikami obliczeń
(porównaj il.5).
Kolejny eksperyment miał na celu zbadanie wpływu szybkości zmiany wilgotności
względnej, która zachodzi liniowo w czasie. W trakcie pomiaru rejestrowano zdarzenia emisji
akustycznej dla zmiany z 70 % do 30 % zachodzącej w czasie: 15 min., 1 godz., 12 godz., 24
godz. i 48 godz. Wyniki przedstawione na il. 8 pokazują, że im krótszy czas zmiany, tym
energia emisji, czyli intensywność uszkodzeń, jest większą.
Można zauważyć, ze największe nasilenie uszkodzeń przypada w czasie po około 1 - 3
godzin od osiągnięcia przez otoczenie końcowej wilgotności względnej. Maksymalna emisja
energii szybko maleje z czasem zachodzenia zmiany. Ilustruje to powszechnie znaną regułę
konserwacji prewencyjnej, że obiekt drewniany dobrze zniesie nawet duże zmianę warunków
klimatycznych, o ile czas adaptacji jest dostatecznie długi.
Technikę monitorowania emisji akustycznej zastosowano już dwukrotnie in situ w
warunkach obiektu zabytkowego. W roku 2005 przeprowadzono monitorowania
średniowiecznego ołtarza drewnianego w kościele p.w. św. Marii Magdaleny w Rocca Pietore
we Włoszech, badając uszkodzenia powstające pod wpływem okresowego ogrzewania
kościoła. Przez cały rok 2006 trwa monitorowanie drewnianych elementów zabytkowych
organów w kościele farnym p.w. św. Andrzeja Apostola w Olkuszu. W obydwu badaniach
omawiana metoda okazała się przydatnym narzędziem do detekcji naprężeń powodujących
uszkodzenia. Rejestrowana wielkość energii emitowanego sygnału wskazywała okresy, w
których została przekroczona progowa wartość fluktuacji parametrów mikroklimatycznych.
Sygnał akustyczny, po odpowiedniej kalibracji, może stać się doskonałym
wskaźnikiem zagrożeń dla zabytkowych obiektów drewnianych, ponieważ odzwierciedla on
bezpośrednio natężenie uszkodzeń. Takiej bezpośredniej informacji nie zapewnia
modelowanie teoretyczne, zależne w wysokim stopniu od dostępności i jakości oznaczeń
parametrów drewna, które nie zawsze są znane. Parametry te są zazwyczaj mierzone dla
drewna nowego, które nie musi odzwierciedlać właściwości drewnianych obiektów
zabytkowych zaadaptowanych przez wiele dziesięcioleci do lokalnych warunków
mikroklimatycznych. Adaptacja taka mogła pociągnąć za sobą nieokreślony poziom
deformacji lub uszkodzeń, które mogą akomodować naprężenia lub przesuwać wartości
granicznych naprężeń elastycznych.
3
Ponadto modelowanie numeryczne dostarcza dyskretne wartości progowych zmian
wilgotności względnej, podczas gdy uszkodzenie drewna dostrzegalne makroskopowo jest
poprzedzane stopniową ewolucją zniszczeń na poziomie mikro. Emisja akustyczna natomiast
jest w stanie wykryć zmiany strukturalne już na tym poziomie. Ma to wielkie znaczenie w
ochronie zabytków, gdyż stała akumulacja takich niewielkich zmian, a nie wyjątkowe
gwałtowne zdarzenia są odpowiedzialne za większość obserwowanych procesów zniszczeń.
Przedstawione wyniki dają podstawy do budowy prostego czujnika emisji akustycznej,
którego zadaniem byłoby ostrzeganie przed niekorzystnymi zmianami zachodzącymi w
strukturze drewnianego obiektu. Takie urządzenie będzie rejestrować sygnał zdarzeń emisji
akustycznej, następnie go analizować i dzięki wprowadzonym wcześniej poziomom
kalibracyjnym ostrzegać o zagrożeniu uszkodzeniem.
4
Il.1 Pęknięcie średniowiecznej rzeźby drewnianej spowodowane fluktuacjami wilgotności
względnej w otoczeniu obiektu
5
Il.2 Zmiana zawartości wody w różnych odległościach od powierzchni drewna w wyniku
zmiany wilgotności względnej otoczenia z 70% do 30%
6
Il.3 Rozwój naprężeń w różnych odległościach od powierzchni drewna w wyniku zmiany
wilgotności względnej otoczenia z 70% do 30%
7
Il.4 Zmiana zawartości wody w przekroju drewnianego cylindra w wyniku zmiany
wilgotności względnej otoczenia z 70% do 30% i związane z nią pole naprężeń
8
Il.5 Maksymalne naprężenia pojawiające się w cylindrze z drewna lipowego w wyniku
zmiany wilgotności względnej otoczenia. Jeżeli chcemy dowiedzieć się, jakie maksymalne
naprężenie pojawi się przy zmianie np. z 70% do 30%, posuwamy się prostopadle do osi x od
punktu 70% do krzywej 40%, bo 70-30=40
9
Il.6 Dwa czujniki rejestrujące emisję akustyczną drewnianej rzeźby in situ w warunkach
obiektu zabytkowego
10
Il.7 Zmiana energii emisji akustycznej dla cylindrów z drewna lipowego w czasie pod
wpływem skokowej zmiany wilgotności względnej od 70% do kilku niższych poziomów
11
Il.8 Zmiana energii emisji akustycznej dla cylindrów z drewna lipowego w czasie pod
wpływem liniowej zmiany wilgotności względnej od 70% do 30% dla różnych czasów tej
zmiany
12