Opis metody
Statics Integrated Methods (w skrócie SIM, zwana także Static Integrated Measuring, na jęz. polski najczęściej tłumaczona jako „zintegrowany pomiar statyki drzewa”), to metoda opracowana przez Lothara Wessolly’ego do badania wytrzymałości pnia na złamanie i jego stabilności w gruncie. Ze względu na pomiar dwóch powiązanych z tym cech, bywa nazywana również metodą elasto-inclino (choć częściej odnosi się to do jej praktycznego zastosowania, czyli prób obciążeniowych).
Jego praca oparta była na wspólnych badaniach kilku naukowców, w tym Güntera Sinn’a, który osobno rozwinął zbliżoną w metodyce metodę Arbeitsstelle für Baumstatik, (w skrócie AfB). Niemniej dostępne powszechnie na rynku urządzenia do wykonywania statycznych prób obciążeniowych (PiCUS TreeQinetic, Pulling Test i DynaTim) bazują na metodzie SIM.
Opiera się ona na założeniu, że możliwy jest pomiar reakcji drzewa na przyłożone obciążenie i wywnioskowanie na tej podstawie, jakie obciążenie wiatrem może wytrzymać drzewo, zanim dojdzie do awarii.
Zgodnie z twierdzeniem Wessolly’ego, punktem krytycznym jest przekroczenie granicy sprężystości drewna (elastic limit) po ściskanej stronie pnia, co wyznacza początek awarii pierwotnej (a dopiero w kolejnym etapie następuje awaria wtórna, czyli pęknięcie włókien po stronie rozciąganej i złamanie pnia). Więcej o tym możecie przeczytać w akapicie „materiał” artykułu o biomechanice.
Wessolly dokonał pomiarów i określił granicę sprężystości dla kilkunastu gatunków, które zebrane są w tzw. katalogu stuttgarckim („Stuttgart table of wood strength”). Jest więc ona w tej metodzie podstawą do oceny odporności pnia na złamanie.
Wessolly stwierdził również, że pomimo znacznych różnic w module sprężystości i wytrzymałości na ściskanie poszczególnych partii drzewa, ich granica sprężystości pozostaje na podobnym poziomie, charakterystycznym dla gatunku. Pozwala to na pomiar w dowolnej części pnia (tj. najbardziej narażonej na złamanie, ze względu na występujące cechy osłabiające jego wytrzymałość).
Elastyczność jest więc w tym przypadku miarą jego nośności i w jednym parametrze definiuje dwa elementy trójkąta statyki: materiał i kształt.
Dzięki temu, poprzez testy obciążeniowe, możliwe jest określenie, przy jakim obciążeniu wiatrem granica ta zostanie przekroczona.
W kwestii zagrożenia wykrotem Wessolly stwierdził, że następuje on po przekroczeniu pochylenia ok. 2,5o, bez względu na gatunek drzewa. Podstawą badania jest jednak stwierdzenie, że pochylenie o 1/10 tej wartości (tj. o 0,25o) następuje pod obciążeniem wynoszącym 40% siły potrzebnej do przewrócenia drzewa. Nie zawsze jest jednak możliwe uzyskanie takiego pochylenia, więc Wessolly stworzył także tzw. uogólniona krzywą wykrotu („generalised tipping curve”), która pozwala na ekstrapolację wyniku do potrzebnego poziomu.
Analogicznie do pomiarów pnia, także w tym wypadku można określić ciśnienie wiatru, które wywoła taki przechył i odnieść go do parcia powodowanego przez wiatr przy danej prędkości.
Wykorzystanie praktyczne
Sposób wykonywania próby obciążeniowej przedstawiłem w dedykowanym artykule. W nim przeczytasz m.in o ograniczeniach praktycznych prób obciążeniowych.
Kontrowersje i ograniczenia
Chociaż metoda zyskała międzynarodowe uznanie ekspertów, to nie brakuje jej krytyków, którzy wskazują, że jest nieprecyzyjna i niepewna.
Pierwszy zarzut tyczy się braku transparentności badań. Wbrew krążącej opinii, nie były one prowadzone na Uniwersytecie w Stuttgarcie, a Wessoly nigdy nie opublikował całej dokumentacji, co uniemożliwia zweryfikowanie uzyskanych wyników. Jego doświadczenia nigdy nie zostały również powtórzone na wystarczająco dużej próbie i wg ustandaryzowanej metodologii.
Ponadto istnieje wiele zarzutów natury praktycznej, a wykonywane eksperymentalnie próby często nie potwierdzają założeń teorii.
Po pierwsze Wesolly stwierdza, że wszystkie drzewa mają ten sam schemat wykrotu: nachylenie 0,25o osiągane jest po obciążeniu w wielkości 40% siły potrzebnej do przewrócenia, które następuje po osiągnięciu pochyłu 2,5o. Już analiza szczegółowej uogólnionej krzywej wywrotu (która najczęściej rozpowszechniana jest w wersji uśrednionej) pokazuje, że awaria następowała w przedziale 2-3o, natomiast niezależne eksperymenty wskazują, że zakres ten należałoby rozszerzyć do co najmniej 5o.
Co jeszcze bardziej istotne, widoczna jest ogromna rozbieżność wyników uzyskanych przy pochyle 0,25o, który przecież jest podstawą oceny stabilności drzewa. W niektórych przypadkach nastąpił on po uzyskaniu zaledwie 25% siły wywracającej (co oznacza, że drzewa te były w stanie znieść dużo większe obciążenie niż przewidywane), w innych było to już 60% tej siły (w tym przypadku stabilność tych drzew była zdecydowanie gorsza niż wyliczona). Pierwszy przepadek, tj. zaniżanie odporności drzew na wykrot jest zdecydowanie częstszy.
Problem ten dotyczy w szczególności młodych drzew, które znoszą wyraźnie większe pochyły (zazwyczaj bezproblemowo do 5o. W ich przypadku dochodzi jeszcze możliwe odkształcanie podstawy pnia w trakcie badania (co będzie wpływać na pracę inklinometrów). Wynikiem jest nieoszacowywanie ich stabilności w gruncie oraz zaniżanie współczynnika bezpieczeństwa.
Problem z badaniem młodych drzew dotyczy również pomiaru odporności na złamanie, o czym niżej.
Jak widać na powyższych wykresach, różnice tyczą się nie tylko wielkości drzew, ale także ich gatunku. To zróżnicowanie również nie znajduje odzwierciedlenia w teorii SIM.
Uogólniona krzywa wykrotu nie obejmuje także różnic w chwilowym i sezonowym stanie gleby (głównie jej aktualnej wilgotności lub zmrożenia) ani w jej rodzaju (przede wszystkim w jej składzie granulometrycznym). O ile część autorów stwierdza, że rodzaj gleby nie wpływa na różnice w wyniku badania, tak powszechnie dostrzegana jest zależność od jej uwilgotnienia.
Paradoksem jest również to, że często po zakończeniu prac ziemnych badania obciążeniowe wskazują na lepsze wyniki niż przed ich rozpoczęciem – jest to wpływ zagęszczenia gleby, co w rzeczywistości jest wysoce niekorzystne dla drzew i prowadzi do uszkodzenia sytemu korzeniowego, ale chwilowo poprawia ich stabilność w gruncie.
Nierównomierne odkształcanie się podstawy pnia oraz całej bryły korzeniowej jest problemem nie tylko w przypadku młodych drzew – wynik badania jest często zależny od umiejscowienia inklinometru względem kierunku ciągnięcia, a nie jest określone, który kierunek jest reprezentatywny. Przyjmuje się, że należy uwzględnić najsłabszy wynik, ale nie ma pewności, że to on właściwie wskazuje obniżenie stabilności a nie jest tylko wynikiem nierównomiernego odkształcania się drzewa i jego bryły (lub innych czynników).
Badanie młodych drzew jest też problematyczne w kwestii określenia odporności na złamanie. Ich pnie są dużo bardziej elastyczne niż u dojrzałych drzew, z wyższą granicą sprężystości. Prowadzi to do nieoszacowywania ich nośności i tym samym zaniżania współczynnika bezpieczeństwa (analogicznie jak dla stabilności w gruncie).
Następną kwestią jest wspomniany na początku tzw. katalog Stuttgarcki, który zawiera zastawienie właściwości mechanicznych drewna żywych drzew, w tym kluczowy parametr określający granicę sprężystości. Podobnie jak w innych przypadkach brak jest dokładnych informacji o przeprowadzonych badaniach, a inne laboratoria osiągają odmienne wyniki (różniące się także między sobą).
Podawana w wątpliwość jest także zasada, mówiąca o możliwości pomiaru odporności pnia na złamanie w dowolnym punkcie (dzięki jednolitej granicy sprężystości na całej jego długości) – wyniki eksperymentów wskazują, że obliczony współczynnik bezpieczeństwa zmienia się wraz z przemieszczeniem elastometrów (nawet w obrębie nieuszkodzonych części pnia).
Innym zarzutem jest niewłaściwe określenie punktu awarii pnia. Część doświadczeń wskazuje, że pierwotna awaria rozpoczyna się wraz od pęknięć podłużnych pnia, występujących zanim rozpocznie się pełzanie drewna. Co gorsze, jest to cecha, której przy użyciu elastrometrów nie można zdiagnozować (ani nie istnienie inna metoda). Więcej, o możliwych przyczynach pęknięć pnia przeczytasz w artykule o biomechanice.
Podsumowanie
Jak widać metoda opiera się na wielu uproszczeniach i założeniu homogeniczności drzew, co prowadzi do dużych różnic pomiędzy uzyskanymi wynikami a prawdziwą odpornością danego drzewa (na złamanie i/lub wykrot).
Na to nakłada się jeszcze problematyka wykonania analizy naporu wiatru, która odpowiada za szacowanie obciążenia i wpływa na końcowy wynik tak samo jak obliczenia wytrzymałościowe. Oznacza to, że nie powinna być traktowana jako samodzielna metoda diagnostyczna, tzn. nie powinno się podejmować decyzji o postępowaniu z drzewem wyłącznie na podstawie jej wyniku (a raczej na podstawie wykonanej wg. niej próby obciążeniowej). Każdorazowo należy także przeprowadzić pełną ocenę wizualną drzewa, przeanalizować historię zabiegów, zmian w otoczeniu i wykonanych prac, które mogły wpłynąć na stan drzewa i jego stabilność.
