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