podaci i informacije o kandidatu...nedovoljnu trajnost. prije svega, drvo je podložno razgradnji...

PODACI I INFORMACIJE O KANDIDATU:

1. Ime i prezime: Redžo Hasanagić

2. Datum i mjesto rođenja: 12.10.1988., Bihać

3. Mjesto i adresa stanovanja: Cazin, Ćoralići 570

4. E-mail: [email protected]

[email protected]

5. Mob: +387 61 465 105

4. Naziv završenog fakulteta i godina diplomiranja:

Dodiplomski studij: Tehnički fakultet Bihać, 2011.

Postdiplomski studij: Tehnički fakultet Bihać, 2014.

Doktorski studij: Tehnički fakultet Bihać,

INFORMACIJE O PROJEKTU:

1. Naziv doktorskog studija: Savremene proizvodne tehnologije

2. Naslov Projekta doktorske disertacije: „Optimizacija parametara termičke

modifikacije konstrukcijskog drveta i njihov uticaj na čvrstoću savijanja i

istezanja“

3. Datum prijave Projekta: 20.02.2019.

4. Naučna oblast: Procesne tehnike obrade drveta i strojevi za obradu drveta

5. Potencijalni mentor: Van. prof. dr Atif Hodžić

Univerzitet u Bihaću - Tehnički fakultet __________________________________________________________________________________

1

Na osnovu propisanih uvjeta o sticanju naučnog stepena doktora tehničkih nauka u oblasti drvne industrije regulisanih Okvirnim zakonom o visokom obrazovanju (''Sl.gl. BiH, broj: 59/07''), Zakonom o visokom obrazovanju Unsko-sanskog kantona (''Sl.gl. Unsko-sanskog kantona, broj: 18/09''), Statutom Univerziteta u Bihaću, Pravilnikom o korištenju akademskih titula, sticanju stručnih i naučnih zvanja (''Sl.gl. Unsko-sanskog kantona, broj: 16/16''), Pravilima studiranja na trećem (III) ciklusu studija Tehničkog fakulteta Univerziteta u Bihaću, i Pravilnikom o prijavi, izradi i odbrani doktorske disertacije, dostavljam

PROJEKT DOKTORSKE DISERTACIJE

pod radnim naslovom:

„Optimizacija parametara termičke modifikacije konstrukcijskog drveta i njihov uticaj na čvrstoću savijanja i istezanja"

Vijeće doktorskog studija „Savremene proizvodne tehnologije“ na Tehničkom fakultetu Univerziteta u Bihaću, svojom odlukom broj: 01-226, od 20.02.2019. godine prihvatilo je prijedlog koncepta Projekta doktorske disertacije kandidata Redže Hasanagića, MA drvneindustrije „Optimizacija parametara termičke modifikacije konstrukcijskog drveta i njihovuticaj na čvrstoću savijanja i istezanja“, te imenovalo komisiju za ocjenu prihvatljivosti prijedloga Projekta doktorske disertacije i imenovanje potencijalnog mentora, u sastavu:

1. Prof. dr Salah Eldien Omer, predsjednik2. Van. Prof. dr Atif Hodžić, član3. Van. Prof. dr Samir Vojić, član

Pozitivan izvještaj Komisije o prihvatljivosti Projekta doktorske disertacije kandidata Redže Hasanagića, MA drvne industrije i imenovanje van. prof. dr Atifa Hodžića za potencijalnogmentora usvojeno je na sjednici Vijeća doktorskog studija, odluka br: 01-635 od 22.05.2019. godine.

Projekt doktorske disertacije sadrži dvanaest tematskih cjelina s ciljem je prezentiranja uticaja parametara termičke modifikacije na čvrstoću savijanja i istezanja konstrukcijskog drveta:

1. Uvod,2. Plan aktivnosti izrade dotorske disertacije,3. Značaj i svrha određivanja teme,4. Predmet i cilj istraživanja, 5. Hipoteza rada,6. Struktura rada,7. Prethodna istraživanja8. Planiranje eksperimenta,9. Modeliranje i optimizacija,10. Korištene naučne metode,11. Očekivani rezultati i naučni doprinos,12. Literatura.

Univerzitet u Bihaću - Tehnički fakultet __________________________________________________________________________________

2

1. Uvod

Ekološki zahtjevi u pogledu primjene određenih hemijskih zaštitnih sredstava postaju svakim danom sve strožiji, odnosno nastoji se smanjiti njihova upotreba na najmanju moguću mjeru. Ovo je jedan od razloga zašto se sve više koristi modifikacija drveta, konkretno termičkamodifikacija, s kojom poboljšavamo određene osobine drveta samo korištenjem temperature, pritiska i vlage bez primjene hemijskih sredstava koji su štetni po čovjeka i njegovu okolinu.

Dakle, pored ekoloških razloga za termičku modifikaciju drveta tu je poboljšanje dimenzijske stabilnosti, otpornost prema biološkoj razgradnji te ravnomjerna promjena boje u tamnije tonove. S druge strane javljaju se i nedostaci, između ostalog, u smislu promjene mehaničkih osobina, slabijeg lijepljenog spoja i sl., o kojima će također biti govora u ovom projektu. Od svih procesa modifikacije drveta pregrijavanje drveta pokazalo se komercijalno najisplativijim. Ova vrsta modifikacije drveta već je dugo vremena poznata kao potencijalno najkorisnija metoda poboljšanja dimenzijske stabilnosti drveta i povećanja njegove biološke otpornosti.

U ovom Projektnom zadatku obradit će se teoretski i eksperimentalno uticaj signifikantnih parametara termičke modifikacije na čvrstoću savijanja i istezanja konstrukcijskog drveta, shodno zahtjevima standarda BAS EN 408 + A1.

Eksperimentalni rezultati će se matematički modelirati sa ciljem dobivanja matematičkog modela procesa termički modificiranog drveta, tj. njegovih uticajnih parametara u funkciji savojne i zatezne čvrstoće.

Rezultati eksperimentalnog dijela, kao i modeli za stanja konstrukcijskog drveta sirovo, neposredno nakon termičke modifikacije i osam mjeseci nakon eksploatacije će se analizirati, komparirati a na osnovu toga donijeti odgovarajući zaključci i preporuke.

Optimizacijom značajnih parametara termičke modifikacije, u modelu koji je bitno aplikativan dobit će se optimalne vrijednosti parametara modifikacije za koje će sila loma pri deformaciji konstrukcijskog drveta pri savijanju i istezanju biti maksimalna.

Verifikacija rezultata matematičkog modeliranja dobivenih eksperimentom provjerit će se metodom genetskog programiranja (eng. genetic programming, skraćenica GP). Također,optimizacija parametara termičke modifikacije bit će provjerena genetskim algoritmom (GA).

Univerzitet u Bihaću - Tehnički fakultet ___________________________________________________________________________

4

3. Značaj i svrha određivanja teme

Drvo, kao obnovljivi materijal, biogenog porijekla, ekološki prihvatljiv i energetski povoljan materijal ima velike ekonomske i tehničke prednosti u odnosu na ostale materijale. Kvalitetno

se obrađuje uz malu potrošnju energije, ima zadovoljavajuće fizičko-mehaničke osobine uz relativno malu gustoću drveta, te ima veoma dobre toplotne, akustične i estetske osobine. U

neposrednoj eksploataciji drveta postoje određeni nedostaci koji se odnose na njegovu nedovoljnu trajnost. Prije svega, drvo je podložno razgradnji usljed djelovanja abiotskih ilibiotskih uzročnika, te je zapaljiv materijal i mijenja dimenzije s promjenama sadržaja vlage.

Vremenski period u kojem drvo zadržava svoje prirodne osobine odupirući se svim štetnim uticajima u velikoj mjeri zavisi od uvjeta upotrebe.

Poseban problem se susreće kada se koriste manje kvalitetne vrste drveta koje se moraju

zaštititi ekološki prihvatljivim metodama zaštite. S tim u vezi rade se obimna istraživanja postupaka kojim se nastoje nadomjestiti ili potpuno eliminisati nepoželjne prirodne osobine

drveta, odnosno poboljšati njegovu trajnost i fizičko-mehaničke osobine. U posljednjih nekoliko desetaka godina kao moderno rješenje se nameće modifikacija drveta. Cilj procesa

modifikacije je da se dobije stabilan, dimenzionalno stabilan, otporan na štetne agense, izdržljiv materijal s gotovo nepromijenjenim mehaničkim osobinama. Modifikacija drveta je već u praksi postigla određene pozitivne rezultate. Modificirano drvo je pretrpjelo određenu promjenu u unutrašnjoj strukturi. Njegove dimenzije su stabilnije, ima manju gustoću i

smanjeno bubrenje do znatne mjere očuvanih fizičkih i mehaničkih osobina kao i povećanu

otpornost na djelovanje biotičkih ili abiotičkih faktora. Njegova vrijednost u praksi je potkrijepljena činjenicama o ekološkoj prihvatljivosti okoliša i ekonomskoj opravdanosti

korištenja. Drvo je moguće modificirati na razne načine. Modifikacija drveta se dijeli na pasivnu (modifikacija impregnacijom-fizikalna) i aktivnu (enzimatska, hemijska i termička). Svaka od navedenih modifikacija drveta želi dobiti proizvod stabilan na mikroorganizme, dok mehaničke osobine modificiranog drveta trebaju ostati nepromijenjena.

Termička modifikacija drveta je od posebnog značaja za istraživanje u ovom projektu. Termička modifikacija drveta se izvodi u kontroliranim uvjetima pri visokim temperaturama. U procesu modifikacije se upotrebljavaju samo toplota i vodena para, bez upotrebe bilo kakvih hemijskih preparata ili aditiva, što ga čini potpuno ekološki prihvatljivim i

neškodljivim za okolinu. Za tu svrhu izvodi se na temperaturama između 160°C i 230°C, u posebno konstruisanim komorama opremljenim potpuno automatiziranim sistemom vođenja cjelokupnog procesa. Korištenjem visoke temperature, pritiska i vodene pare značajno se

povećava kvalitet drveta i njegove fizičko-mehaničke osobine. U procesu modifikacije vlaga u drvetu se snižava do 1 %, a često se i ravnomjerno mijenja boja drveta u tamnije tonove. Termički modificirano drvo je na tržištu lošije zastupljeno jer se pretežno javlja nekoliko vrsta drveta, kao npr. bukva i jasen koje postaju privlačniji kupcima na otvorenom tržištu.

Termička modifikacija drveta smanjuje apsorpciju vlage i mijenja njene dimenzije (dilataciju), te povećava njegovu biološku otpornost i izolacijske osobine. Postiže se i

ravnomjerna promjena boja u tamnije tonove kroz cijeli presjek. Time se dobiva znatno kvalitetnije i podobnije drvo koje se pokazalo vrlo dobrim i pri završnoj obradi lakiranjem. Za vrijeme modifikacije drveta istovremeno se postižu i neki drugi pozitivni ciljevi: povećava

se nepropusnost za vodu, otpornost na kiseline ili baze, UV otpornost, biološka otpornost,

termička otpornost ili se poboljšavaju mehaničke osobine. Djelovanjem visokog pritiska na


5

masivno drvo dolazi do njegovog zgušnjavanja i smanjenja poroznosti. Mehaničke osobinezgusnutog drveta se poboljšavaju, tako da odnos između težine i tvrdoće još uvijek ostaje vrlo dobar. Ove postupke kompresije na masivnom drvetu se uvode sve više kod obrade furnira ili manjih drvenih lamela, kojima se radi boljega prijanjanja dodaju različiti smolasti dodaci.

Termička modifikacija drveta se odvija u tri faze:

• u prvoj fazi se temperatura u komori podiže na oko 100 oC uz uvođenje pare kako bi se spriječilo raspucavanje drveta usljed visoke temperature, dok se sadržaj vlage smanjuje sa transportne vlage na 0 %,

• u drugoj fazi se temperatura podiže na oko 220 0C da bi se postigla željena boja i što je temperatura viša, odnosno izloženost duža, tonovi su tamniji, dok para spriječava sagorjevanje drveta,

• treća faza je hlađenje i kondicioniranje gdje voda i hlađenje smanjuju temperaturu i željeni sadržaj vlage (4-6 %).

Kako bi još bolje poboljšali osobine ekološki prihvatljivog materijala-tradicionalno modificiranog drveta i povećali njegovu upotrebu na tržištu, proces termičke izmjene treba dodatno optimizirati. To znači da se parametri postupka modifikacije trebaju odabrati na takav način da se smanje neke negativne osobine termički obrađenog drveta (mehaničkeosobine).

Matematičkim modeliranjem parametara termičke modifikacije dobit će se matematički

model uticaja ulaznih parametara na izlazne veličine sila na savijanje i istezanje do kritične tačke momenta loma probe. Nad eksperimentalnim podacima izvršit će se optimizacija parametara za maksimalnu silu savijanja i istezanja.

Matematičko modeliranje možemo predstaviti kao opisivanje nekog sistema ili procesa određenim matematičkim operacijama, tj. traženje zavisnosti između komponenata samog procesa te njihove međusobne povezanosti. Svaki sistem ili proces predstavlja domenu povezanosti njegovih komponenata, odnosno njihovo stanje koje se može kontrolisati. Procesi čine sastavne dijelove svake proizvodnje i kao takvi stoje nam na raspolaganju da ih

analiziramo, opisujemo i modeliramo. Procese je potrebno kontinuirano analizirati. A upravo ta analiza procesa često vodi modeliranju i optimizaciji da bi produktivnost proizvodnje bila

na nivou i zahtjevu tržišta. Bitno je istaknuti činjenicu da je praćenje procesa predviđanje njihove dinamičnosti, kontrola promjene a samim tim i predviđanje njihovog budućeg stanja.

Optimiziranje procesa kao nužnog slijeda radnji omogućava maksimalno iskorištavanje

resursa, bolju kvalitetu proizvoda, te konkurentnost na tržištu uz realnu cijenu proizvoda.

Krajnji rezultat matematičkog modeliranja je matematički model, koji predstavlja približni

prikaz sistema ili procesa i služi nam da proces razumijemo, da ga valorizujemo, a krajnji cilj modela je da proces možemo kontrolisati i dobiti optimalne parametre. Dobiveni modeli mogu biti analitički, stohastički, numerički, grafički, i drugi. Modeliranjem postojećih procesa

imamo mogućnost oblikovanja novih rješenja, među kojim tražimo optimalno i najpouzdanije rješenje. Modeliranjem smanjujemo troškove eksperimentalnog istraživanja, koje obično

zahtjeva vrijeme i cijenu koštanja. Svakom procesu ili sistemu možemo definisati parametre, koji mogu biti primarni (ulazni) i sekundarni (izlazni).


6

Pored matematičkog modeliranja, na eksperimentalnim podacima izvršiće se modeliranje metodom genetskog programiranja (eng. genetic programming, skraćenica GP). Također,optimizacija parametara termičke modifikacije biće izvršena genetskim algoritmom (GA). Na osnovu dobijenog matematičkog modela, predikcija savojne i zatezne sile pokazaće koliko model može doprinjeti u predviđanju sile loma i zatezanja za različite parametre obrade izvan

plana eksperimenta i unutar dozvoljenog intervala.

Prilikom modeliranja, optimizacije i predikcije nad eksperimentalnim podacima koristit će se GPdotNET- genetic programski alat, software za modeliranje optimizaciju i predikciju ekspreimentalnih rezultata pomoću metoda genetskog programiranja i genetskog algoritma.

GPdotNET je kompjuterski program u kojem je implementiran algoritam genetskog programiranja. Ovaj program je nastao kao rezultat višegodišnjeg istraživanja i usavršavanja,

tako da je danas program u petoj verziji, koji pored genetskog programiranja sadrži i implementaciju algoritama baziranih na metodi vještačkih neuronskih mreža.

Kako je algoritam genetskog programiranja memorijski i kompjuterski zahtjevan, cjelokupan proces implementiran je preko ParalleFx biblioteke u NET Frameworku koja omogućuje paralelno izvršavanje u slučaju više jezgrenih procesora. Paralelno izvršavanje omogućuje

veliko skraćenje vremena izvršavanja, te omogućuje da se ograničenja u pogledu parametara algoritma povećaju a samim tim omogućuje da se rješavaju mnogo složeniji procesi.

Dobar pokazatelj vrijednosti GPdotNET-a je ta da je korišten u mnogim naučnim radovima,

doktorskim disertacijama, knjigama, i sl. Osnovna osobina ovog programa jeste jednostavan i intuitivan način rada, pri kojem program mogu koristiti i korisnici koji manje poznaju

metodu genetskog programiranja i modeliranja uopće. GPdotNET se sastoji od nekoliko korisničkih interfejsa pri kojem korisnik unosi podatke za modeliranje, podešava parametre genetskog programiranja, te pokreće algoritam, dok se u međuvremenu na

ekranu vizualno prikazuju izlazni parametri poput trenutnog najboljeg rješenja, evaluaciju najboljeg rješenja, evaluaciju podataka za validaciju odnosno predikciju, grafički prikaz

najboljeg rješenja u obliku strukture drveta i poljske notacije.

U većini slučajeva rješenje modeliranja predstavlja matematički model koji je višestruko nelinearan, a njegove vrijednosti su dosta bliže u odnosu na klasične metode regresije. U

mnogim radovima modeli koji su dobijeni metodom genetskog programiranja dosta tačnije modeliraju podatke u odnosu na klasične regresijske modele.

Genetsko programiranje (GP) automatizirana je metoda optimizacije računarskih programa,

čija je opća namjena rješavanje složenih problema iz domena računarstva, ali i problema iz

drugih istraživačkih domena. Osnovni koncept je zasnovan na idejama dobivenih iz teorije evolucijskih algoritama (eng. evolutionary algorithms), kao i drugih evolucijskih metoda. Stvarni cilj genetskog programiranja je stvaranje računarskih programa koji rješavaju zadane probleme. Genetsko programiranje je prvenstveno inženjerska metoda koja rješava određene

probleme iz polja statistike, modeliranja inženjerskih problema i slično.

Postoji čitav spektar istraživanja o procesu modeliranja i optimizacije nad raznim strukturama materijala. Modeliranje je blisko vezano za razvoj numeričkih metoda koje se uporedno razvijaju s razvojem hardwera. Evolucijske metode za modeliranje inženjerskih procesa


7

počinju razvojem 60-tih godina prošlog stoljeća, da bi početkom 90-tih godina američki

naučnik John Koza prvi put objavio rad o Genetskom programiranju.

Savojna i zatezna sila loma je cilj ovog istraživanja kod konstrukcijskog drveta koje je termički tretirano i ako se optimiziraju parametri termičke modifikacije, smanjit će se vrijeme obrade, zadržati mehaničke osobine masivnog drveta, te produžiti vijek trajanja konstrukcijskog drveta u različitim uvjetima eksploatacije. Istraživanja u pogledu optimizacije

i modeliranja parametara obrade dokazuju da je ova problematika široko prisutna, a efekti primjene dobijenih rezultata višestruko podižu nivo proizvodnog procesa. Modeliranje i optimizacija procesa obrade igra vrlo važnu ulogu i temeljni je uslov optimalnog rada mašine za obradu. U današnjem vremenu optimizacija parametara obrade može dodatno poboljšati

kvalitet proizvoda, smanjiti vrijeme izrade, umanjiti cijenu proizvoda, itd.

4. Predmet i cilj istraživanja

Tokom ranijih istraživanja kandidata ispitivan je uticaj parametara geometrije zubaca kod produženja konstrukcijskog drveta klinastim spojem na silu istezanja kao izlaznu veličinu, te je dobiven matematički model uticaja dužine zupca (l), širine zupca (p) i zapreminske mase(ρ) na silu istezanja do kritičnog momenta sile loma.

U okviru pripreme Izvještaja o prihvatljivosti projekta doktorske disertacije urađeno je probno ispitivanje termički modificiranog bukovog drveta sa zupčastim spojem koje je modificirano na temperaturi od 200 oC i radnom pritisku od 0.7 MPa. Nakon provedene termičke modifikacije drveta rađeno je mehaničko ispitivanje čvrstoće na istezanje. Prilikom ispitivanja termički modificiranih bukovih uzoraka sa zupčastim spojem došlo se do zaključka da rezultati ispitivanja ne mogu biti validni jer se na izrazito visokim temperaturama termičke modifikacije ljepilo u zupčastom spoju topilo i iscurilo na površinu drveta, van zupčastog spoja, što ima za posljedicu smanjenje čvrstoće na istezanje zupčastog spoja.

Nakon probnih testiranja masivnih proba tri vrste drveta bez klinastog spoja, J/S, topole i bukve potvrđeno je da se može vršiti ispitivanje i modeliranje parametara termičke modifikacije temperature i vremena trajanja procesa sa zapreminskom težinom drveta u funkciji dobivanja maksimalne sile loma na istezanje i savijanje. Ovo je nastavak istraživanja gdje se konstrukcijsko drvo podvrgava termičkoj modifikaciji, analiziraju uticajni parametri termičke modifikacije te mjeri čvrstoća savijanja i istezanja na konstrukcijskom drvetu u sirovom stanju, nakon modifikacije i nekoliko mjeseci nakon upotrebe u primjeni, u skladu sa standardom BAS EN 408 + A1.

Planira se dobiti šest matematičkih modela s tri parametarska eksperimenta koji se mijenjaju na 5 nivoa i 6 ponavljanja na središnjoj tački plana. Matrica planova eksperimenta

podrazumijeva testiranje 20 uzoraka za svako testiranje u varijaciji tri uticajna parametara na predviđanje tri razine vrijednosti. Obrada rezultata eksperimenta bit će prikazana tabelarnim i

grafičkim načinom.

Rezultati mjerenja savojne i zatezne čvrstoće konstrukcijskog drveta s područja Bosne i Hercegovine vršit će se nakon ortogonalnog rezanja masivnog drveta na četverostarnoj blanjalici i termičkog procesa pri različitim ulaznim parametrima. Dimenzije testnih proba

konstrukcijskog drveta iznosit će 19 · ℎ (��) = � (��ž��) za savijanje i 9 ·

ℎ (��) = � (��ž��) za istezanje, kako je definisano standardom za testiranje konstrukcijskog drveta BAS EN 408 + A1.


8

Uzorci bukve (lat. Fagus), lipe (lat. Tilia) i jele (lat. Abies) termički će se tretirati na

Biotehnološkom fakultetu Univerziteta u Ljubljani u komori za termičku obradu drveta. U njihovoj labaratoriji je dostupna sva potrebna oprema za modifikaciju i postoji savremena istraživačka infrastruktura.

Ispitivanje čvrstoće na savijanje i istezanje do kritične tačke loma proba vršit će se naTehničkom fakultetu Univerziteta u Bihaću korištenjem testing mašine tipa SIL-50KNAG, proizvođa SHIMADZU. Preko računara, koji je povezan s testing mašinom (SIL-50KNAG) će se mjeriti sila loma na savijanje i istezanje. Na dijagramu se mogu očitati vrijednosti postignute sile savijanja i istezanja ispitne probe, modula elastičnosti, vrijeme trajanja testiranja itd.

Vrijednosti gustoće drveta će biti od 0.43 g/cm3, 0.58 g/cm3 i 0.73 g/cm3, a temperature termičke modifikacije će se mijenjati u tri vrijednosti od 180°C, 195°C i 210°C, te trajanje postupka modifikacije će varirati tokom 1h, 2h i 3h, pod pritiskom vodene pare u intervalu od 0.7-0.8 MPa. Cilj eksperimentalnog istraživanja je ispitati parametre uticaja modifikacije drveta na fizičke i mehaničke osobine i izdržljivost, kao i analizu eksperimentalnih podataka s

tačke njihova poboljšanja. Kao rezultatovog istraživanja planira se objaviti nekoliko naučnihradova u relevantnim časopisima, odnosno časopisu indeksiranom u citatnom indeksu Web of Science (WoS).

Cilj istraživanja u ovoj doktorskoj disertaciji je ispitivanje uticaja parametara termičke

modifikacije na čvrstoću savijanja i istezanja konstrukcijskog drveta. Kao uticajni parametri u procesu modifikacije bit će ispitivani zapreminska masa drveta (ρ), temperatura (T) i vrijeme trajanja procesa termičke modifikacije (t). U eksperimentu će se koristiti grubi

obradci tvrdih i mekih lišćara, te četinara prosječne vlažnosti uzoraka u intervalu 8-12 %. Izlazni procesi će se ispitati na nepromijenjenom i modificiranom drvetu prije i nakon termičke modifikacije, te osam mjeseci nakon upotrebe na nepromjenjenom drvetu i nakon provedenog postupka termičke modifikacije.

U cilju korištenja podataka i rezultata ispitivanja u budućim istraživanjima uradit će se i analiza gubitka mase konstrukcijskog drveta u procesu termičke modifikacije kao i diskoloracija njegove boje.

5. Hipoteza istraživanja

Iz teorije i prakse je poznato da drvo nakon modifikacije ima značajan gubitak mase i da su mu mehaničke osobine lošije u odnosu na nemodificirano drvo.

Definisanjem matematičkog modela u procesu termičke modifikacije konstrukcijskog drveta:

� = � (��,��,��,)

gdje su:

y – max. sila savijanja, odnosno istezanja (kN)

x1- temperatura (oC)

x2- vrijeme trajanja modifikacije (h)

x3- gustoća drveta (g/cm3)


9

i primjenom metoda optimizacije će se odrediti optimalna rješenja procesa termičke

modifikacije konstrukcijskog drveta, tako da će dobivenim model Yoptim težiti poboljšanju mehaničkih osobina termički modificiranog drveta, konkretno njegove savojne i zatezne

čvrstoće. Novoodređeni, optimalni model je bitno aplikativan jer je definisan u realnim uvjetima procesa termičke modifikacije konstukcijskog drveta.

6. Struktura rada

U sadržaju ovog rada biti će prezentirana teoretska i eksperimentalna istraživanja, do i u toku izrade rada koja se tiču signifikantnosti uticaja parametara termičke modifikacije

konstrukcijskog drveta na čvrstoću savijanja i čvrstoću istezanja modificiranog drveta.

Teoretska istraživanja podrazumjevaju:

- analizu teoretskih vrijednosti mehaničkih osobina modificiranog drveta,- analizu uticaja gustoće drveta, temperature i vremena trajanja modifikacije

na mehaničke osobine modificiranog drveta,- analizu režima modifikacije konstrukcijskog drveta, sa stanovišta parametara

koji utiču na proces,

- analizu regulacije promjena temperature i vremena trajanja modifikacije nasam proces modifikacije konstrukcijskog drveta.

Eksperimentalna istraživanja se temelje na praćenju i analizi stvarnih veličina ulaznih

parametara termičke modifikacije, prvenstveno gustoće drveta, temperature i vremena trajanja procesa modifikacije u tri različita stanja konstukcijskog drveta:

- konstrukcijsko drvo u sirovom, nemodificiranom stanju,- konstrukcijsko drvo neposredno nakon termičke modifikacije,

- termički modificirano konstukcijsko drvo u eksploataciji nekoliko mjeseci.

Primjenom adekvatnih matematičko-statističkih i optimizacijski metoda doći će se do stvarnih

pokazatelja uticaja posmatranih parametara termičke modifikacije konstrukcijskog drveta, koji još uvijek nisu dovoljno istraženi, kad se posmatra njihov uticaj na mehaničke osobine

modificiranog drveta, u konkretnom slučaju na savojnu i zateznu čvrstoću.

Dobiveni matematički modeli signifikantnih parametara termičke modifikacije i njihov uticaj na mehaničke osobine modificiranog drveta, kao i njihova optimizacija sa stanovišta

postizanja maksimalne savojne i zatezne čvrstoće zasigurno će imati naučni doprinos u teoriji termičke modifikacije konstrukcijskog drveta.

7. Prethodna istraživanja

Struktura ćelijskog zida drveta uglavnom se sastoji od celuloze, hemiceluloze i lignina. Sve ove komponente sadrže hidroksilne grupe. Ove hidroksilne grupe igraju ključnu ulogu u interakciji između vode i drveta. U isto vrijeme ove grupe su najreaktivnija mjesta. Ako je drvo izloženo u vlažnim uslovima, molekule vode se nakupljaju između drvnih polimera i

formiraju vodikove veze između hidroksilnih grupa i pojedinačnih vodenih molekula. Ova voda treba prostor između komponenti ćelijskog zida, što dovodi do bubrenja drveta.

Procesi modifikacije drveta utiču na prethodno opisane uslove eksploatacije drveta poželjno ili nepoželjno. Na primjer, punjenje lumena drveta, hemijskim supstanicama bez mijenjanja


10

zidova ćelija drveta. Punjenje ćelijskog zida gdje se šupljine u ćelijskom zidu pune i time se blokiraju putevi za vodu. Primjer punjenja je tretman sa smolama koje teško reaguju sa drvetom. Budući da se ne postiže gotovo nikakva molekularna promjena drveta, punjenje se ne smatra modifikacijom drveta.

Modifikacija drveta je obrada drveta, gdje se mijenjaju polimeri stanične stijenke molekularne

strukture ćelijskih zidnih polimera (celuloza, hemiceluloza i lignin). Kada je u pitanju

termička modifikacija drveta polimeri ćelijskog zida su izmjenjeni. Ovo može dovesti do umrežavanja, redukcije OH-grupa i (neželjenog) cijepanja lanaca. Redukcija dostupnih OH-grupa dovodi do ograničene interakcije sa vodom u odnosu na neobrađeno drvo.

Modifikacija drveta može se definisati kao proces koji poboljšava osobine drveta, stvarajući novi materijal. Termička modifikacija drveta povećava njenu izdržljivost i stabilnost, ali

smanjuje njegovu gustoću i mehaničke osobine (Hill 2007.).

Modifikacija drveta je generički pojam koji opisuje primjenu hemijskih, fizičkih ili bioloških metoda za izmjenu osobina materijala. Cilj je postići bolji učinak od drveta, što rezultira

poboljšanjem dimenzijske stabilnosti, otpornosti na propadanje, otpornosti na vremenske uticaje, itd. Bitno je da modificirano drvo nije toksično kod upotrebe i da odlaganje na kraju

životnog vijeka ne rezultira u stvaranju bilo kakvih toksičnih ostataka. U proteklih nekolikogodina došlo je do značajnih pomaka u tehnologijama za preradu drveta, posebno u komercijalnom sektoru. Ova tehnologija je tu da ostane, navodi u svojim istraživanjima Hill(Hill, 2011.).

Upotreba termičkog tretmana za modifikaciju osobina drveta nije nova. Još 1920. godineTiemann je pokazao da sušenje na visokim temperaturama smanjuje ravnotežnu vlagu i posljedično bubrenje drveta. Kolman je u radu (Kollmann 1951.) je koristio visoke temperature i zgušnjavanje vrućom presom i taj proces nazvao Lignostone.

Prema (Morsing i Hoffmeyer 1998.), sličan proizvod laminiranog komprimiranog drveta mogao se pronaći u Njemačkoj pod nazivom Lignifol. Godine 1937. Stamm i Hansen su izvijestili da se ravnoteža vlage, bubrenja i utezanja drveta smanjila zagrijavanjem u nekoliko plinova.

U SAD-u, Seborg je u radu (Seborg 1945.) stvorio sličan proizvod koji su nazvali Staypack. Nakon njega, Stamm je objavio rad (Stamm 1946.) gdje je izvijestio o toplotnoj obradi kako se poboljšala stabilnost drveta bez dimenzioniranja i nazvao proces Staybwood.

Nijedan od ovih proizvoda nije imao mnogo uspjeha na tržištu, vjerojatno zbog dostupnosti kvalitetnog drveta. Ipak, toplotna obrada nije potpuno zaboravljena, a nekoliko je studija predstavljeno nekoliko godina kasnije u radovima (Seborg 1953.), (Kollmann 1963.), (Kollmann 1965.), (Noack 1969.), (Fengel 1966.).

U novije vrijeme interes za termičku modifikaciju je obnovljen. Prema Boonstrau (Boonstra 2008.) ovaj obnovljeni interes je posljedica opadanja proizvodnje trajnog drveta, sve veće potražnje za održivim građevinskim materijalima, do sječe šuma posebno, te do povećanog

uvođenja restriktivnih propisa kojima se smanjuje upotreba otrovnih hemikalija. Pojavilo se uglavnom pet različitih komercijalnih tretmana, jedan u Finskoj (Thermowood), jedan u Holandiji (Plato Wood), jedan u Nemačkoj (OHT-Oil Heat Treatment), i dva u Francuskoj (Bois Perdure i Rectification). Novi procesi termičke obrade se također pojavljuju u drugim


11

zemljama, kao što su Danska (WTT) i Austrija (Huber Holz). Neki od ovih procesa su u instalaciji, a drugi su već u punoj proizvodnji. Koristi se nekoliko vrsta drveta s različitim procesnim uslovima u zavisnosti od vrste i konačne upotrebe proizvoda. Svi procesi koriste

rezanu građu i temperaturu obrade između 160ºC i 260ºC, ali se razlikuju u uvjetima procesa, kao što je prisutnost zaštitnog plina kao što su dušik ili para, vlažni ili suhi procesi, upotreba ulja, itd. (Militz 2002.).

Tržište novih trajnih proizvoda od modificiranog drveta značajno je poraslo u posljednjih nekoliko godina, posebno u Europi. Ovaj povećani interes dijelom zavisi od ograničene

upotrebe toksičnih premaza zbog povećane brige za okoliš, kao i potrebe za smanjenim održavanjem proizvoda od drveta koji su uglavnom za vanjsku upotrebu. Nadalje, kako održivost postaje sve veća briga, okolišni uticaj građevinskih i unutarnjih materijala treba uključiti u planiranje uzimajući u obzir cijeli životni ciklus korištenih materijala. Kao rezultat toga, primjenjena je modifikacija drveta kako bi se poboljšale unutrašnje osobine drveta, proširila paleta primjena rezane građe i stekla forma i funkcionalnost koju inženjeri žele, a da se pri tome ne dovodi u pitanje ekološka prihvatljivost navode u svom istraživanju autori rada(Sandberg, Kutnar i Mantanis 2017.).

U istraživanju toplotne obrade drveta gdje se istraživao uticaj brzine izmjene vazduha i početnog sadržaja vlage na fizičke i mehaničke osobine drveta topole, autori u radu (Goli, Marcon i Fioravanti 2014.) navode u analizi koja je jasno pokazala kako toplotna obrada na niskoj i visokoj brzini izmjene vazduha ima različitu kinetiku degradacije, čak i ako su nađene

slične vrijednosti energijske aktivacije. Također su prezentirane i neke fizičke i mehaničke osobine drveta nakon obrade do gubitka mase od 7 i 10%, počevši od stanja sušenja u komori ili od standardnih uvjeta okoline. Svi tretirani uzorci pokazali su statistički značajne razlike u odnosu na netretirane.

Promjena osobina nakon termičke obrade ovisi o vrstama drveta i uvjetima procesa u kojima prevladava temperatura, vrijeme i odsutnost kisika (Militz 2002.). Modul elastičnosti ičvrstoća na savijanje smanjuju se s povećanjem temperature i vremenom termičke obrade. Na primjer, za vrijeme termičke obrade na temperaturama između 170 i 200°C i za različitovrijeme obrade utvrđeno je da je smanjenje modula elastičnosti bora manje od 5% dok se ne postigne gubitak mase od 4%, a zatim brzo raste i dostiže čak do 16% pri gubitku mase od 6% (B. Esteves 2008.).

Smanjenje mehaničkih osobina usljed termičke modifikacije može se ublažiti zgušnjavanjemnavedeno je u nekoliko istraživačkih radova. Kompresija drveta je proces koji se koristi za povećanje gustoće drveta i poboljšanje njegovih mehaničkih osobina bez hemijskih aditiva (Laine, i dr. 2013.), čime se dobijaju novi materijali i funkcionalnost (Rautkari, i dr. 2013.).

Budući da su mnoge mehaničke osobine drveta, kao što su tvrdoća, modul elastičnosti ili otpornost na abraziju u korelaciji s gustoćom, povećanje gustoće može dovesti do poboljšanja ovih osobina (Sandberg, Haller i Navi 2013.). Zbog toga je učinjeno mnogo pokušaja da se

razvije pogodan proces za zgušnjavanje drveta koje se spominje u istraživanjima (Navi i Girardet 2000.) i (Kamke i Sizemore 2008.).

U radu Bonding of thermally modified spruce with PF and UF adhesives (Šernek, i dr. 2007.)se bave procjenom uticaja temperature termičke obrade i gubitka mase na čvrstoću smicanja ljepljenih smrekovih uzoraka fenol-formaldehid (PF) i urea-formaldehid (UF) ljepilima, koji


12

su predhodno termički modificirani. Rezultat ovog istraživanja je pokazao da toplotna obrada uzrokuje gubitak mase tretiranog drveta, ali s druge strane, posmična čvrstoća PF i UF adhezivnih veza nije značajno smanjena u odnosu na netretirano drvo. Stoga namakanjeuzoraka u vodi dovelo je do smanjenja čvrstoće na smicanje za oko 40-50%. Značajno smanjenje čvrstoće na smicanje uočeno je kod kuhanih uzoraka. Čak i tako, smanjenje čvrstoće na smicanje uzoraka ljepljenih s PF-om bila je puno veća nakon ključanja vode, dok se većina uzoraka vezanih s UF-im ljepilom raspala.

Da bi se proučio efekat termičke obrade na adheziju drveta, drvene ploče od smreke (Picea abies Karst.) su termički obrađene i vezane polietilenom. Mehaničkim testovima na nemodificiranim i termički modificiranim uzorcima utvrđeno je snažno poboljšanje adhezije između modificirane površine drveta i polietilena (Follrich, Müller i Gindl 2006.).

Metoda termičke obrade za modificiranje drveta povećava njenu dimenzijsku stabilnost i više je ekološki prihvatljiva u usporedbi s drugim metodama poput hemijskih tretmana (Poncsak , Kocaefe i Younsi 2006.).

Toplotna obrada rezultira značajnim promjenama u osobinama drveta, ona također uzrokuje neželjena smanjenja mehaničkih osobina drveta kao što je modul elastičnosti (MOE).

Različite vrste drveta različito reagiraju na toplotnu obradu na temelju njihovih individualnih kompozicijskih varijacija, pa je važno odrediti optimalne uvjete (kao što su trajanje i temperatura) za toplotnu obradu kako bi se postigla najbolja ravnoteža fizičkih i mehaničkih

osobina. Da bi se to postiglo, moraju se provesti ispitivanja kako bi se odredila vrijednost osobina uzoraka drveta koji su toplotno obrađeni s različitim trajanjima i temperaturama. Kao

rezultat toplotne obrade mijenja se hemijski sastav drveta, hemiceluloza je najviše pogođena, a celuloza je donekle otporna na hemijske promjene (Esteves i Pereira H 2008.).

Ostale promjene koje nastaju kao posljedica toplotne obrade uključuju povećani sadržaj

lignina, povećanu dimenzijsku stabilnost zbog umrežavanja u ligninu, uništavanje nekih mjesta sorpcije, poboljšanu trajnost, smanjene mehaničke osobine kao što su statička i

dinamička čvrstoća na savijanje i čvrstoća na istezanje, niži ravnotežni sadržaj vlage i tamnija boja (Esteves i Pereira H 2008.).

Mnoga su istraživanja provedena kako bi se utvrdio uticaj toplotne obrade na fizičke osobinerazličitih vrsta drveta uz korištenje širokog raspona uvjeta tretmana. Razlika u vrstama i različitim rasporedima obrade uzrokuje promjene u fizičkim osobinama, kao što su gubitak mase, učinkovitost protiv bubrenja i ravnoteža vlage, stvarajući širok raspon vrijednosti.

Gubitak mase je odlučujući faktor rezultata toplotne obrade, to jest, što je veći gubitak mase, veći su učinci na fizičke i mehaničke osobine (Gunduz, i dr. 2009.).

Postoje izvještaji da je značajna povezanost između gubitka mase i čvrstoće kompresije drveta.Također je uočeno da postoji značajna povezanost između gubitka mase i ravnotežnog sadržaja vlage u drvetu (Brito, i dr. 2006.). Ova je studija pokazala da je upijanje vode i volumetrijsko bubrenje proučavanih vrsta drveta smanjeno s povećanim intenzitetom toplotneobrade. Termička modifikacija dovela je do smanjenja bubrenja i apsorpcije vode u velikoj mjeri.

U istraživanjima u radu Physical and Mechanical Properties of Heat Treated Daniella oliveri (Africa Balsam Tree) Wood (Iyiola, i dr. 2019.) ispitivan je uticaj termičke modifikacije na


13

neke fizičke i mehaničke osobine drveta Daniella Oliveri (Africa Balsam Tree). Gubitak težine uzoraka se povećava dok se gustoća smanjuje s povećanom toplotnom obradom na temperaturi od 180 °C u trajanju od 2 sata. Gustoća i gubitak težine smanjili su se za blaže

tretmane, a kako se trajanje povećava, smanjenje je obično sporije i postupno, što ukazuje na to da trajanje tretmana od 2 sata smanjuje kapacitet ponovne apsorpcije vode i higroskopneosobine drveta. Međutim, temperatura od 180 °C tijekom 2 sata može se primijeniti na drvo gdje se preferiraju fizičke osobine.

Također su provedena istraživanja gdje je bio cilj procijeniti učinak termičke obrade na

fizičke i mehaničke osobine drveta Eucalyptus Grandis sastavljenog u masivne ploče. Ploče su termički modificirane na temperaturama do 220 °C. Rezultati su pokazali da je termička

modifikacija uzrokovala određena smanjenja u odnosu na netretirane ploče (Calonego, Severo i Ballarin 2012.).

U svojim analizama Humar i ostali (Humar, i dr. 2017) su uzorke smreke obrađivali suspenzijom prirodnog voska potapanjem (DipI) ili vakuumskom impregnacijom (VPI). Uzorci obrađeni voskom su zatim termički tretirani na 185, 200, 215 i 230 °C. Kontrolni uzorci su zagrijavani samo do 100 °C. Utvrđen je kontaktni ugao (CA), kratkotrajni i dugotrajni unos vode, čvrstoća na savijanje i učinak na gljivice nastale uslijed truljenja drveta. Rezultati pokazuju da kombinacija tretmana voskom i termičke modifikacije ima sinergistički

učinak koji značajno poboljšava hidrofobnost, smanjuje unos tekuće vode, usporava unos

vodene pare i poboljšava otpornost na gljivični raspad tretiranog materijala.

U pokušaju da se procijene učinci termičke obrade na stanične stijenke drveta, drvo bora(lat.Pinus massoniana Lamb) termički je modificirano na 150, 170 i 190 °C tijekom 2, 4 i 6 h. Modul elastičnosti i tvrdoća termički modificiranog drveta su sniženi zajedno sa smanjenjem omjera puzanja staničnih stijenki. Međutim, obrada na 190 °C/6 h može negativno uticati na mehaničke osobine staničnih stijenki, što uzrokuje djelomičnom razgradnjom hemiceluloza i

također celuloze, navode u svojim istraživanjima Wang i ostali (Wang, i dr. 2018.).

U svom istraživanju Bal (Bal 2018.) je proučavao termičku modifikaciju crnog bora u vakuumu, dušiku i atmosferi zraka. Toplotna obrada provedena je na temperaturama od 180 ° C, 200°C i 220°C. Nakon toplotne obrade utvrđena je gustoća, gubitak mase, modul

elastičnosti i uticaj savijanja toplotne obrađene crne borovine. Rezultati su pokazali da se gustoća i uticaj savijanja smanjuju s porastom temperature. Nadalje, najveće smanjenje

mehaničkih osobina drveta dogodilo se u ispitnim uzorcima koji su obrađeni u zraku. Vakuumska atmosfera je najmanje štetna za mehaničke osobine drveta, a razlike u mehaničkim osobinama drveta koji su toplotno obrađivani u vakuumu i dušiku bile su neprimjetne.

Ono što se može reći da se toplotna obrada drveta značajno se povećala u posljednjih

nekoliko godina i još uvijek raste kao industrijski proces za poboljšanje nekih osobina drveta. Kako je navedeno, prve studije o toplotnom tretmanu drveta bazirale su se na istraživanju

ravnotežne vlažnosti, dimenzijske stabilnosti, trajnosti i mehaničkih osobina. Gubitak mase, vlažnost, boja drveta i hemijske transformacije su također detaljno proučavane, dok se

određen dio radova fokusira na kontrolu kvaliteta, modeliranje i proučavaju razloga za

poboljšanja. Na osnovu svega navedeno postoji veliki interes za termičku modifikaciju drveta u cilju poboljšanju osobina drveta hemijskim promjenama, upotrebi drveta i kontroli kvalitete.


14

8. Planiranje eksperimenta

8.1. Izbor uticajnih parametara, blok shema i kodiranje

Izbor uticajnih faktora procesa ili sistema izvodi se na osnovu prethodnog poznavanja istraživanog područja, literaturnih podataka o datom procesu i iskustva istraživača. Ponekad istraživač koristi samo literaturne podatke, tako da je modeliranje i sam eksperiment put u nedovoljno poznato područje. Kod izbora faktora obično se prvo nabroje svi uticajni faktori za koje se pretpostavlja da imaju uticaj na izlazne parametre procesa, a zatim se taj broj smanji na one koji imaju najveći uticaj. To su tzv. nezavisno promjenljive veličine (��, ��,…��) iz kojih se dobiju izlazne-zavisno promjenljive veličine (��, ��,…,��). Dakle, izmjenom ulaznih veličina �� direktno se utiču na izlazne veličine procesa ��. To omogućuje upravljanje samim procesom ili sistemom i kretanje prema postavljenom cilju modeliranja.

8.1.1. Izbor uticajnih parametara i blok shema

Formalizovano stanje, opisivanje realnog procesa termičke modifikacije konstrukcijskog drveta definirano je sljedećim veličinama:

a) Ulazne veličine: - temperatura procesa, T (oC),- vrijeme trajanja TMD, t (h)- gustoća drveta ρ (g/cm3).

b) Izlazna veličina: sila istezanja i savijanja F (kN),c) Funkcija stanja procesa: F = f (T, t, ρ).

Slika 8.1. Blok shema modeliranja sile termički modificiranog drveta

Za proizvodnju obratka parametri pritiska, dimenzije obradka, vlažnost itd. uglavnom ostaju konstantni, a mijenja se: temperatura procesa (�), vrijema trajanja procesa termičke modifikacije (�) i gustoća drveta (�). Na osnovu toga, blok shema modeliranja sile Fbi

izgledala kao na slici 8.1.Prema tome modeliranje sile istezanja ��(��, ��, ��) i sile savijanja u četiri tačke

��(��, ��, ��), treba izvesti za varijable procesa:

- temperatura � (��),

Ulazni

parametri PROCES TMD

� � � � � �

�

�

�

��,� (� = 1,2,3)


15

- vrijeme � (��),

- zapreminska masa drveta � (��), dok pritisak (�) i dimenzije obradka ostaju

konstante.

Prema unaprijed utvrđenom planu eksperimenta dolazi do variranja datih ulaznih parametara, dok se ostali faktori održavaju konstantnim u toku izvođenja procesa. Ovako formalizirano opisivanje realnog procesa sa već datim ulaznim veličinama definisanog eksperimenta, a u cilju primjene optimalne tehnologije u datom procesu obrade, zahtijeva izbor dovoljno tačnog i pouzdanog matematičkog modela, jer je to uvjet postojanja skupa viševarijantnih rješenja iz kojih je to moguće definirati optimalno.

8.1.2. Kodiranje

Da bi izradili plan matrice eksperimenta potrebno je izvršiti kodiranje osnovnih faktora, tj. prevesti ih u prostor kodiranih koordinata. Nezavisno promjenjive varijable (��, ��, ��) kod modeliranja stohastičkih procesa obično prevode u kodirani oblik (��, ��, ��), pri čemu vrijedi (Jurković 1999.):

-1≤��≤1, i=1,2,3,…n gdje se dobije:

�� = -1, za vrijednost �� = ��

�� = 0, za vrijednost �� = ��

�� = 1, za vrijednost �� = ��

Interval variranja faktora l predstavlja polovinu razlike između najveće (fimax ) i (�imin)vrijednosti i-tog parametra (i = 1,2,3,…,n) i može se definisati na sljedeći način:

Vrijednosti fizikalnih i kodiranih veličina nalaze se u tabeli 8.1.

�� =��

�� , � = 1, 2, 3

�� =�� + ��

2 – srednji nivo vrijednost i � tog faktora

�� =��

2– interval variranja


16

Tabela 8.1. Fizikalne i kodirane vrijednosti

8.2. Izbor polaznog modela (Pretpostavka modela)

Rezultati modeliranja su matematički modeli, a osnovni cilj je utvrđivanje zakonitosti između ulaznih i izlaznih veličina. Ulazni parametri određuju uvjete odvijanja procesa a izlazni rezultate procesa. Ovisnost izlaznih parametara o ulaznim može se prikazati kao na osnovu izraza (Jurković 1999.):

�� = �(��)

Zamjenom ulazno/izlaznih fizikalnih veličina nezavisno/zavisno promjenjivim, a funkciju stanja procesa F = f (T, t, ρ) prikažemo u polinomskom, formalizirano opisivanje prelazi u matematičko, a na osnovu izraza:

� = �� + �� + �� + �� + �� + ��

� + �� + �� + �� +

�� + ��

gdje su:

- � = �-zavisno promjenjiva veličina koja odgovara fizikalnoj, odnosnoeksperimentalnoj vrijednosti sile loma na zatezanje,

- x1, x2, x2, - nezavisno promjenjive koje odgovaraju fizikalnim vrijednostima režima obrade T,t,ρ

- b0, b1, b2, b2, b11, b22, b33 - regresioni koeficijenti matematičkog modela.

Formalizirani opis F = f (T,t,ρ) prelazi u matematički Y = f (x1, x2, x3), koji osim uticaja na obje veličine x1, x2, x3 zasebno, također opisuje i uticaj njihovih interakcija x12, x11, x22 na izlaznu vrijednost Y.

8.3. Matrica modeliranja

U ovom eksperimentu bit će korišten rotatabilni plan, koji se vrlo često primjenjuje u modeliranju i adaptivnom upravljanju u procesima s više varijabli. Ovaj plan sadrži bazni dio plana 2�, simetrično postavljene tačke �� oko centra plana i tačke ponavljanja �� u centru plana. U općem obliku broj eksperimenata se dobije iz jednačine:

Uticajne veličine Kodirane i fizikalne veličine

Fizikalne

veličine

X1=T 170 180 195 210 220

X2=t 1.3 2 3 4 4.6

X3= ρ 0.33 0.43 0.58 0.73 0.83

Kodirane

veličine

Xi -1.682 -1 0 1 1.682


17

� = 2�−� + 2� + �� = �� + �� + ��

Gdje su:

- N - ukupan broj eksperimenata, - nk - broj promjenljivih varijabli, - n0- broj ponavljanja u centralnoj tački plana, - nα - broj simetrično postavljenih tačaka oko centra plana.

U ovom konkretnom slučaju je k = 3 (promjenljive varijable: T, t, ρ ), n0 = 6 i nα = 6 (nα =2k)pa ukupan broj eksperimenata iznosi:

N = 8 + 6 + 6= 20

Da bi se mogla izvesti disperziona analiza eksperimentalnih ili modelskih rezultata (izračunavanje greške eksperimenta, ispitivanje signifikantnosti koeficijenata modela, provjeru adekvatnosti i određivanje granice pouzdanosti modela i sl.) zahtijeva se ponavljanje eksperimenata po određenom sistemu. Kod ovog eksperimenta imamo šest ponavljanja u centralnoj tački plana n0=6, tj. u središnjim vrijednostima varijacionih faktora.

Primjena sistema ponavljanja eksperimenta n0 puta u centralnoj tački opravdana je samo pod pretpostavkom da su greške u svakoj eksperimentalnoj tački obuhvaćenog višefaktornog prostora međusobno jednake, tj.:

σ2(y1) = σ2 (y2) = σ2 (y3) =…= σ2 (yn)

Slika 8.2. Raspored tačaka rotatabilnog plana za k=3 (Jurković 1999.)

Nakon kodiranja nezavisno promjenjivih (osnovnih faktora), matrica modeliranja će imati oblik prikazan u tabeli 8.2.


18

Tabela 8.2. Matrica modeliranja

Br.e. T

[oC]

T

[h]

Ρ

[g/cm3]

X0

X1

X2

X3

X1X2

X1X3

X2X3

X1X2X3

X12

X2

2

X3

2

1 180 2 0.43 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 1

2 210 2 0.43 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1

3 180 4 0.43 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1

4 210 4 0.43 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1

5 180 2 0.73 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1

6 210 2 0.73 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1

7 180 4 0.73 1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1

8 210 4 0.73 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

9 195 3 0.58 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

10 195 3 0.58 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

11 195 3 0.58 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

12 195 3 0.58 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 195 3 0.58 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

14 195 3 0.58 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

15 170 3 0.58 1 -α 0 0 0 0 0 0 (-α)2 0 0

16 220 3 0.58 1 α 0 0 0 0 0 0 α2 0 0

17 195 1.3 0.58 1 0 -α 0 0 0 0 0 0 (-α)2 0

18 195 4.6 0.58 1 0 α 0 0 0 0 0 0 α2 0

19 195 3 0.33 1 0 0 -α 0 0 0 0 0 0 (-α)2

20 195 3 0.83 1 0 0 α 0 0 0 0 0 0 α2

9.Modeliranje i optimizacija

9.1. Matemtatičko modeliranje

Matematičko modeliranje inženjerskih procesa i sistema ima veliko značenje u širokom

području tehničkih nauka i praksi, kao i u svim drugim oblicima kvantitativnih istraživanja. Moderna se naučna misao temelji na uvjerenju da teorijske podloge i koncepti imaju realnu osnovu ako se izražavaju u obliku kvantitativnih pokazatelja. Tada je moguće teorijska znanja efikasno koristiti u praktične svrhe (Jurković 1999.).


19

Radi toga se teži definiranju procesa i sistema u obliku matematičkog modela kako bi se ustanovio kvantitativni odnos između ulaznih i izlazih varijabli obradnog procesa ili sistema. Ovo otvara niz mogućnosti da se efekti kao izlazi iz procesa ili sistema mogu predstaviti na osnovi promjene ulaznih varijabli u proces ili sistem.

Osnovna svrha modeliranja je definiranje matematičkih modela i drugih prikaza koji su neophodni za optimizaciju, simulaciju, revitalizaciju i upravljanje procesima i sistemima. Znači osnovna svrha modeliranja procesa i sistema izgradnja matematičkih modela koji će da opišu adekvatno proces ili sistem, s jednim ciljem:

- simulacije različitih rješenja, analize i prognoziranje procesa,- definiranje matematičkih modela koji su neophodni za optimizaciju procesa i

optimalnih rješenja,- izrada modela upravljanja za dati sistem,- naučna istraživanja ili praktične primjene u stvarnim procesima.

Gotovo sve metode optimizacije podrazumijeva poznavanje matematičkog modela procesa, što je prvi uvjet i polazište za inoviranje i revitalizaciju procesa ili sistema. Matematički model je prvi korak tehno-ekonomske optimizacije procesa i sistema. Matematičko modeliranje i optimizacija su takve metode, čiji je jedini cilj inoviranje postojećih procesa i sistema, modernizacija i podizanje na viši nivo. Prema tome, krajnji i osnovni cilj matematičkog modeliranja i optimizacije obradnih procesa i sistema je ekonomičnija, kvalitetnija i profitabilnija proizvodnja.

8.2. Osnovni pojmovi modeliranja

Pod pojmom „model“, podrazumijeva se interpretacija bilo kojeg realnog sistema. Model se koristi za definiranje uticajnih faktora na realni sistem i njihov međusobni odnos. Modelom se uproštava opisivanje i analiza sistema u cjelini ili njegovih segmenata, tako što je moguće zasebno posmatrati svaki od segmenata sistema, uticajnih na donošenje odluka.

Modelima je moguće poboljšati performanse sistema u eksploataciji na taj način da se modeliraju izabrani dijelovi sistema i na osnovu tako postavljenih modela vrši analiza i donose zaključci o aktivnostima koje treba poduzeti na realnom sistemu. Formirana je podjela modela, prikazana na slici 9.1., blok shemom.

MODEL

FIZČKI APSTRAKTNI

STATIČKI DINAMIČKI OPISNI ANALOGNI MATEMATIČKI

Slika 9.1. Osnovna podjela modela (Šelo, Tufekčić, 2007)


20

9.3. Fizički modeli

Fizički modeli sistema predstavljaju srazmjerno umanjenu kopiju realnog sistema sa njegovim fizičkim i funkcionalnim karakteristikama. Korištenje fizičkih modela je ograničeno radi visokih troškova izrade, dugog vremena trajanja izrade itd.

9.4. Apstraktni modeli

Jedna od osnovnih podjela apstraktnih modela (Slika 9.1.), može se izvršiti na:

- opisne,

- analogne,

- matematičke.

-

9.4.1. Opisni modeli

Osnovna karakteristika ove vrste modela je u tome što se razmatranja sistema ili njegovih dijelova vrše opisno. Analiza problema, postavljanje ograničenja u okviru kojih se razmatra problem itd., također se vrše opisivanjem u vidu teksta. Opisni modeli su široko primijenjeni i koriste se u svakidašnjim aktivnostima. Osnovni nedostaci ovog modela i pored rasprostranjene primjene su ograničenost u rješavanju kompleksnih problema i mogućnosti različitog interpretiranja problema zbog razlika u pristupu i razumijevanju teksta, isticanju manje značajnih faktora, zanemarivanju značajnijih itd.

9.4.2. Analogni modeli

Primjena analognih modela zasnovana je na fizičkoj sličnosti sa nekom od karakteristika fizičkog-realnog sistema, gdje se putem analogije, analizom i razumijevanjem razmatranih uticaja prisutnih u realnom sistemu dolazi do postavljenog cilja tj., rješenja istraživanog problema.

9.4.3. Matematički modeli

Matematičkim modelom se pomoću odgovarajućih matematičkih postupaka i operacija, na osnovu određenih podataka, opisuje ponašanje sistema. Da bi matematički model služio svrsi, mora da bude koncepcijski definiran, da je jednostavan za korištenje, da se može stalno dograđivati, odnosno razvijati u skladu novih saznanja i zahtjeva. Osnovna svrha primjene matematičkih modela je opisivanje ponašanja realnog sistema u cjelini ili njegovim pojedinim segmentima u određenim uvjetima. Primjena matematičkih modela omogućava definiranje odnosa promjenljivih za određeni problem.

Matematički modeli se mogu podijeliti na:

- statičke,- dinamičke,- determinističke,- stohastičke,- diskretne,- kontinuirane.


21

Primjenom matematičkih modela i pored niza dobrih strana, pri rješavanju kompleksnih problema, veoma je teško ili nemoguće opisati pojedina stanja sistema radi velikog brojafaktora koji su od uticaja u realnom sistemu. Mnogi od tih faktora nisu mjerljivi, radi čega se ne mogu uzeti u obzir. Zbog toga se moraju uvoditi odgovarajuća ograničenja. Ako se pri tome sistem pretjerano idealizira, mogu se dobiti elegantna matematička rješenja, ali malo korisna, jer ne predstavljaju u dovoljnoj mjeri sistem koji se analizira. Modeli pomoću kojih se mogu izvoditi eksperimenti na računaru, za određeni vremenski interval, pripadaju grupi apstraktnih modela: matematički model (dinamički, diskretni, stohastički).

9.5. Modeliranje proizvodnog sistema

Osnovni cilj modeliranja sastoji se u tome da se podaci o ponašanju nekog sistema dobiju ne proučavanjem samog sistema, nego se ponašanje sistema proučava tako da se napravi (kreira) model, pa se zatim, eksperimentiranjem na takvom modelu dolazi do saznanja o ponašanjupostojećeg sistema.

Kako bi se što bolje moglo izvršiti modeliranje određenog proizvodnog sistema neophodno je poznavati njegovu suštinu. Prilikom istraživanja ponašanja nekog sistema na njegovu modelu, tada treba definirati pitanja na koja se traži odgovor simuliranjem na modelu. Obzirom da pitanja mogu biti veoma različita, također i modeli mogu biti različiti i pored činjenice da se radi o istom. Pri tome je važno da se u model uključe samo oni aspekti sistema koji su bitni za dobivanje traženih odgovora na postavljena pitanja. Svi ostali aspekti se zanemaruju koliko god je to moguće, kako bi model bio što jednostavniji i što lakše rješiv.

Naime, modeliranje i simuliranje se najčešće upotrebljava za proučavanje složenih sistema, pa je bitno da se isključe svi oni elementi koji čine model složenijim, a ne doprinose značajnijukvalitetu dobivenih odgovora. Imajući u vidu činjenicu da proces modeliranja „leži“ u osnovi svake računarske simulacije, neophodno je definisati ovaj proces sa posebnom pažnjom.Osnovna svrha modeliranja procesa i sistema je definiranje matematičkih modela i drugih prikaza koji će u odgovarajućem stepenu tačnosti adekvatno opisati proučavani proces/sistem u cilju (Šelo, Tufekčić, 2007.):

- simulacije varijantnih rješenja,

- analize i prognoziranja stanja procesa/sistema još u fazi projektovanja,

- definiranja matematičkih modela i drugih prikaza koji su neophodni za optimizaciju

procesa/sistema i iznalaženje optimalnih rješenja,

- izgradnje modela upravljanja za dati sistem, odnosno objekt optimizacije,

- naučna istraživanja i/ili praktične primjene u realnim procesima.

Relacija modeliranja odnosi se na validnost modela. Validnost ili valjanost modela opisuje koliko vjerno jedan model predstavlja simulirani sistem.

Metode modeliranja usavršene su razvojem primijenjene matematike, matematičke statistike, operacionih istraživanja, eksperimentalnih i informatičkih metoda. Danas se u modernoj nauci primjenjuju brojne metode modeliranja koje se u osnovi mogu podijeliti na determinističke i stohastičke. Na slici 9.2., prikazana je blok shema determinističkog i stohastičkog metoda modeliranja.


22

a) b)Slika 9.2. Blok shema: a) determinističkog i b) stohastičkog modela

Deterministički model se izražava pomoću različitih matematičkih struktura, a to su: algebarske, obične diferencijalne, parcijalne, integralne i druge jednačine. Kod determinističkog procesa obrade postoji ovisnost izlaznih veličina (�) od ulaznih veličina (�), tako da deterministički model ne sadrži nekontrolirane veličine. (slika 8.2. a). Stohastički model dolazi u obzir kada u procesu obrade postoji znatan broj nekontroliranih odnosno uticajnih faktora (z), (slika 8.2. b).

9.6. Optimizacija procesa

Optimizacija je u inženjerskom smislu postupak maksimiziranja ili minimiziranja nekog cilja (ili ciljeva) u okvirima raspoloživih resursa, odnosno uz zadovoljavanje ograničenja koja objektivno postoje. U ovom smislu je svaka odluka koju donosimo, te svaka svjesna radnja koja se obavlja, ustvari rezultat nekog svjesnog ili nesvjesnog misaonog procesa optimiranja. U načelu takvu optimizaciju formalno ne doživljavamo kao provedeni postupak jer se događa intuitivno ili iskustveno na bazi ranije određenih najboljih rješenja. Klasični postupak sinteze rješenja na bazi metode pokušaja i pogrešaka i sam se može smatrati postupkom optimizacije, jer se zasniva na generiranju (sintezi) novih (nepoznatih) rješenja promatranog problema te sukcesivnom odbacivanju onih koja ne zadovoljavaju ograničenja ili onih koja su lošija od ranije dostignutih rješenja. (Vučina, 2005.)

Naučna disciplina koja se bavi proučavanjem optimizacije raznovrsnih objekata u nauci i tehnici jeste teorija optimizacije. Optimizacija je postupak definiranja najpovoljnijih rješenja za date početne uslove, iz skupa mogućih rješenja. Potpuniju definiciju optimizacije određuju tri osnovna pojma koji su sa njom u nerazdvojnoj vezi, to su:

- cilj optimizacije se iskazuje preko funkcija cilja ili kriterija optimizacije, a metodom optimizacije se ostvaruje postavljeni cilj optimizacije na objektu optimizacije,

- objekat optimizacije može biti neki proces u širem ili užem obliku ili sistem (tehnološki, obradni, proizvodno-pogonski ili neko drugo postrojenje, instalacija, proizvod, alat, itd.).

- metode optimizacije omogućuju traženje najpovoljnijih rješenja različitih problema.

U poslovnoj ekonomiji najviše se koriste metode linearne optimizacije koje omogućuju nalaženje najpovoljnijih rješenja problema. Kada su u pitanju inženjerski procesi u području proizvodnje, metodologije optimizacije može se podijeliti u dvije faze: spoljašnja (makro) i unutrašnja (mikro) optimizacija. Makro optimizacija obradnog procesa i sistema najviše se odnosi na izbor optimalne varijante tehnološkog procesa (izbor optimalne tehnološke metode, optimizacija obradnih procesa odnosno postupka obrade, redoslijeda operacija i zahvata, izbor optimalnog obradnog stroja, alata, itd.). (Jurković, 2011.)


23

Mikro optimizacija obradnog procesa ili sistema odnosi se na optimizaciju elemenata režima obrade, geometrije i postojanosti alata, vremena obrade, sredstava za podmazivanje, kvaliteta obrađene površine i drugo. (Jurković, 2011.)

9.7. Metode optimizacije

U području teorije optimizacije razvijeno je više metoda pomoću kojih se mogu rješavati različiti problemi u cilju definiranje optimalnih inženjerskih procesa i sistema. Optimizacija kao znanstvena disciplina ima sve veću primjenu u procesima obrade na CNC mašinama, u razvoju i primjeni CAPP sistema, planiranju postupka obrade, određivanju režima obrade, te njihovu optimizaciju i planiranje proizvodnje na fleksibilnim obradnim sistemima (FMS).

Za efikasan rad tako složenih obradnih sistema propis je primjena metoda modeliranja, simulacije i optimizacije uz primjenu računara i tehnologije. Kod optimizacije režima procesa polazi se od osnovnog matematičkog modela koji opisuje proces obrade. Postavi se kriterij za optimizaciju režima procesa obrade i traži se kombinacija elemenata procesa obrade iz područja mogućih rješenja, kako bi funkcija cilja dobila minimalnu ili maksimalnu vrijednost.

U obzir se mogu uzeti različita ograničenja procesa obrade, kao što su:

- ograničenja alatnog stroja,- ograničenja alata,- ograničenja materijala, itd.

Jedan od kriterija može biti maksimalni profit, maksimalna produktivost ili minimalni troškovi, minimalno vrijeme, maksimalna sila ili minimalna sila istezanja itd. Uz odgovarajuće zadane funkcije ograničenja i korištenjem različitih metoda optimizacije procesa obrade moguće je riješiti funkciju cilja i tako dobiti optimalne vrijednosti elemenata režima obrade, optimalnu silu istezanja, optimalnu geometriju alata itd.

Za optimizaciju procesa obrade koriste se različite metode. Zbog toga se ne može govoriti o nekom strogom klasificiranju metoda i postupaka optimizacije:

- analitičke,- adaptivne, - algoritamske, - klasične itd.

Primjenom računara u proizvodnji i razvojom informatike uvjetuju da klasične derivacijske metode sve češće ustupaju mjesto modernim metodama matematičkog programiranja. Klasične metode utemeljene su na proračunu parcijalnih derivacija funkcije cilja po određenoj varijabli imaju ograničenu primjenu i uvijek ne zadovoljavaju zahtjeve optimalnog izbora režima obrade, kakvi se danas postavljaju u uvjetima kompjuterski vođene proizvodnje, jer se ne mogu istovremeno razmatrati svi elementi režima obrade. (Jurković, 1999.)

9.8. Optimizacija parametara metodom klasične matematičke analize

Metoda klasične matematičke analize koristi se za optimizaciju relativnih prostijih problema s manjim brojem uticajnih parametara i sa manjim stepenom složenost matematičkog modela


24

optimizacije, odnosno funkcije cilja (Fc) , u ovom slučaju maksimalna sila savijanja iistezanja masivnog drveta spojenog zupčastim vezom (Fmax).

Osnovno obilježje ove metode je određivanje ekstrema funkcije sa i bez funkcija ograničenja. Nedostatak metode je analitičko rješavanje sistema jednadžbi koje definiraju optimumprocesa ili sistema, što je često povezano sa teškoćama, a nekada i nemoguće praktično izvesti.

Izvjesno olakšanje u primjeni ove metode je mogućnost primjene računala, što traži poznavanje numeričih metoda i sistema nelinearnog programiranja, jer su jednačine obično nelinealnog oblika.

Dobiveni matematički model treba optimizirati tako da parametri modela temperatura procesa (T), vrijeme trajanja procesa (t) i gustoća drveta (ρ) poprime optimalne vrijednosti, kada funkcija cilja, iskazana preko sile savijanja (Fs) i sile istezanja (Fist), dobije maximalnu vrijednost (Fc = Fmax).

Funkcija cilja Fc = Fi = Fi(X1, X2, X3) za područje -1.682 < Xi< +1.682 dobiva maximum Fc

= Fimax za kodirane vrijednosti X1 = X10, X2 = X20, X3 = X30 ili fizikalne vrijednosti T = T0,

t=t0 i ρ = ρ0. Određivanje eksternih vrijednosti zatezne sile svodi se na diferenciranje dobivenog matematičkog modela prema izrazima za određivanje optimuma funkcije Fc= Fmax(Jurković, 1999.):

��

��= 0 ; ( � = 1,2,3, … , � )

Rješenjem ovog sistema jednačina dobijemo koordinate stacionarne tačke X10, X20, X30.

Ovdje su u pitanju nelinearne jednačine i rješenja (X10, X20, X30), odnosno stacionarne tačke su dobivene iteracionim metodama. Nalazi li se u stacionarnoj tački minimum, maksimum, prevojna ili sedlasta tačka potrebno je ispitati predznak determinanti ∆1 , ∆2 i ∆3 .

10. Korištene naučne metode

U ovom radu posebna pozornost je posvećena naučnim metodama. Sažeto je prezentirano devet metoda. Neke od sljedećih znanstvenih metoda koristit će se u sklopu pisanja ovoga doktorskog rada: metoda analize, empirijska metoda, statistička metoda, eksperimentalna metoda, metoda simulacije, matematičko modeliranje, optimizacija, metode umjetne inteligencije (GA i GP) i metoda karakterizacije mikrostrukture.

1. Metoda analize: U osnovi primjenit će se metoda analize u kojoj će se parametri ovog fenomena raščlanjivati na dijelove i istraživati svaki u cjelini. Raščlanjivanje složenih

pojmova, sudova i zaključaka na njihove jednostavnije sastavne dijelove te izučavanje svakog dijela za sebe i u odnosu na druge dijelove. Ova metoda omogućuje uočavanje, otkrivanje i izučavanje znanstvene istine. Analiza spada među najranije

otkrivenim i upotrebljavanim metodama u naučnoj spoznaji. Analizirati znači i bolje razumjeti cjelinu nakon što se upozna priroda njenih dijelova. Ova metoda će

omogućiti bolje poznavanje termičke modifikacije i njenog djelovanja na konstrukcijsko drvo tako da će se primjenom ove metode ovi pojmovi detaljno objasniti, bolje razumjeti te postaviti nove teorije.


25

2. Empirijska metoda: Rezultati do kojih se dolazi ovom metodom su vrlo važni, prije svega za praktičnu primjenu ali i za naučna istraživanja, jer predstavljaju fazu prikupljanja naučnih činjenica na temelju kojih se utvrđuju zakonitosti. Metoda koja se zasniva samo na iskustvu radi otkrivanja i objašnjavanja nekih pojava, sudova i zaključaka. Omogućuje pristup istraživanjima i izvođenje eksperimenata bez postavljanja hipoteze ili nastojanja da se ona dokaže. Istraživanja koja se provode ovom metodom smatraju se prethodnim eksperimentima, na temelju kojih se mogu postavljati radne hipoteze i poduzimati nova znanstvena istraživanja kako bi se te hipoteze verificirale. Ovaj postupak će se zasnovati kod otkrivanja objašnjenja postojećeg stanja primjene termičke modifikacije i masivnog drveta.

3. Statističke metode: Za potrebe analize dostupnih i distributivnih pokazatelja mjerenja uzorka koristiće se statističke metode. Statističko istraživanje će biti provođeno u svrhu definiranja i objašnjavanja osnovnih podataka putem grafičkih prikaza. Naravno, analiza i matematički alat s pomoću kojeg se zaključci mogu smatrati valjanima. Istaknuti kako interpretirati dobivene rezultate te prilikom toga obratiti posebnu pozornost. Ovo je opća naučna metoda jer se vrlo često koristi u naučnoistraživačkom radu u svim naučnim područjima i naučnim disciplinama.

4. Eksperimentalna metoda: Eksperiment je planirana aktivnost s ciljem provjere valjanosti eksperimentalne hipoteze (pretpostavke o ishodu eksperimenta).Ovu metodu karakteriše namjerno, plansko izazivanje promjene u cilju proučavanja njenih posljedica, u strogo kontrolisanim uslovima i s mogućnošću mjerenja posljedica izazvane promjene. Mora se obezbjediti mogućnost mjerenja posljedica do kojihdovode unijete promjene u eksperimentu, kako bi se eksperiment mogao ponoviti u istim uslovima, radi provjere njegovih rezultata. Ovu metodu nazivaju još i kauzalnom, što nije preporučljivo (prema Bakovljev, 1997.), jer bi se iz tog moglo zaključiti da se samo u istraživanjima u kojima se koristi ta metoda traga za uzročno posljedičnim vezama i odnosima između proučavanih pojava, što je netačno.Eksperimentalno istraživanje nekog procesa može se izvesti na realnom objektu, fizikalnom modelu ili na računaru uz primjenu metoda matematičkog modeliranja. Cilj obrade eksperimentalnih podataka je dobivanje pouzdanog matematičkog modela, koji je uz zadanu tačnost trebao biti identičan analiziranom procesu. Eksperiment se vrši u uslovima različitim od uobičajenih, npr. u posebnoj prostoriji, na poseban način, s naročitim uređajima.Tako da će eksperimentalna istraživanja vezana za ovaj rad bit će bazirana na obradi prethodno pripremljenim drvenim uzorcima. Tiuzorciće biti izloženi u komori za termičko tretiranje određeni vremenski period, te mjerenjima čvrstoće na savijanje i istezanjemasivnih proba koja će se provoditi na kidalici proizvođača SHIMADZU tipa SIL-50kNAG.

5. Metoda simulacije: Provodi se onda kada bi rad na stvarnom predmetu bio suviše zahtjevan, preskup, ili neetičan, kada stvarni sistem još ne postoji, kada je ponašanje stvarnoga sistema prebrzo ili presporo za promatranje. Danas se većina simulacija obavlja uz pomoć računara i programske podrške zasnovane na odgovarajućem matematičkom opisu pojave koja se simulira. Simulacije i predočavanje njihovih rezultata u pravilu zahtijevaju mnogo računarske snage i računarskoga vremena. Iako se danas mnogobrojne simulacije za praktične potrebe mogu provoditi već i na jačim osobnim računalima, za složenija ispitivanja koriste se superračunala. U radu će se pokušati oponašati pojave i procesi u stvarnosti kako bi se dobiveno rješenje konzistentno ponašalo najpovoljnije u datim uvjetima.


26

6. Matematičko modeliranje: To je postupak opisivanja realnog sistema matematičkim jednačinama s ciljem razvoja i upotrebe matematičkog modela za kasnije analize, projektiranja i optimizaciju sistema za koji je model urađen. Na taj način će se, uz primjenu eksperimentalnih istraživanja o stvarnom modelu, potvrditi zakonitost međusobnog povezivanja ulaznih parametara procesa s izlaznim parametrima (čvrstoće savijanja i istezanja). Ulazni parametri definiraju uslove procesa koji se odvijaju, a izlazni parametri su rezultati modeliranog procesa. Primjenom metoda matematičkog modeliranja je moguće dobiti zavisnost sile loma pri ispitivanju čvrstoće savijanja i istezanja od uticajnih parametara. Osnovni cilj ove metode je da se što tačnije i što potpunije spoznaju stvari, pojave i postupci odnosno njihove strukture, funkcije i ponašanja.

7. Optimizacija: Koristeći metod optimizacije mogu se izbjeći eksploataciona ispitivanja i podešavanja ulaznih parametara u procesu termičke modifikacije kod obrade konstrukcijskog drveta koja se zasnivaju na subjektivnom odlučivanju osobe koja ih vrši. Također se može ubrzati proizvodni proces jer će vrijeme realizacije proizvodnog procesa trajati kraće za vrijeme potrošeno na eksploataciona ispitivanja

8. Metode umjetne inteligencije (GA i GP): Korištenjem metoda umjetne inteligencije u radu prvenstveno se odnosi na korištenje genetskog programiranja (GP) u procesu modeliranja, te genetski algoritam (GA) u procesu optimizacije ulaznih parametera. Metode se baziraju na simulaciji biološke evolucije organizama. GA je metoda optimizacije koja imitira prirodni evolucijski proces i primjenjuje se na apstraktne jedinke. Evolucijski program u svakoj iteraciji (generaciji), predstavlja populaciju jedinki. Svaka jedinka je potencijalno rješenje problema koji se obrađuje, a predstavljeno je strukturom podataka. Te jedinke se nazivaju hromosomi. Za razliku od GA, svaka jedinka u GP predstavlja kompjuterski program koji učestvuje u stvaranju novih jedinki putem genetskih operatora ukrštanja, mutacije i selekcije, a koji predstavlja potencijalno rješenje problema. Svakoj jedinki se dodjeli određena vrijednost kvalitete koja se naziva fitnes. Ona se određuje fitnes funkcijom (koristi se i naziv funkcija cilja). Tada se selekcijom odabire skup boljih jedinki iz trenutne populacije, kako bi se iz njih pod uticajem genetskih operatora reprodukcije stvorila nova populacija, i potencijalno bolje rješenje.

9. Metoda karakterizacije mikrostrukture: Površina presjeka konstrukcijskog drveta se može analizirati laserskom skenirajućom mikroskopijom kako bi se utvrdile moguće promjene geometrije zbog mehaničkog opterećenja. Analizirani će biti poprečnipresjek termički tretiranog drveta.

11. Očekivani rezultati i naučni doprinos

Analizom dosadašnjih istraživanja vezanih za termičku modifikaciju drveta otvorena je mogućnost modificiranja različitih vrsta masivnog drveta kao rezultat sve izraženijih zahtjeva

za poboljšanje mehaničkih i fizičkih osobina drveta.Očekivani rezultati istraživanja prije

svega su potvrđivanje navedenih naučnih hipoteza što u konačnici rezultira sljedećim

pravcima:

• Matematičko modeliranje, uz primjenu eksperimentalnih istraživanja o stvarnom modelu, potvrdit će zakonitost međusobnog povezivanja ulaznih parametara procesa


27

termičke modifikacije s izlaznom veličinom čvrstoće na savijanje i istezanje. Ulazni parametri definiraju uslove procesa koji se odvijaju, a izlazni parametar je rezultat modeliranog procesa.

• Očekivani rezultati, dobivenih eksperimentalnim ispitivanjem mogu poslužiti za modeliranje sile loma na savijanje i istezanje obradaka svih vrsta masivnog drveta koji su termički modificirani.

• Očekuje se pouzdan matematički model sile loma na savijanje i istezanja, koji može tehnolozima, u ovisnosti o parametrima procesa, poslužiti da za kratko vrijeme

započne proces proizvodnje bez dugotrajnog ispitivanja, što danas u praksi predstavlja osnovni, dugotrajan i nepouzdan pristup problemu.

• Očekivati je da će uticaj termičke modifikacije na masivno drvo poboljšano djelovati na njegove fizičko-mehaničkeo sobine, tj. da će se smanjenja mehaničkih osobina u odnosu na ne modificirano drvo optimizirati primjenom odgovarajućih vrijednosti

parametara modifikacije za svaku vrstu drveta.

• Na osnovu dobivenih rezultata i njihove analize utvrdit će se optimalne vrijednosti temperature i vremena trajanja termičke modifikacije u funkciji postizanja maksimalne sile loma na savijanje, odnosno istezanje.

• Postizanje optimalnih parametara procesa povećanja čvrstoće elemenata masivnog drveta koji su termički modificirani, prije nego se krene u proizvodni proces i pri tom

izbjegnu eksploataciona ispitivanja i povećani troškovi samog procesa.

12. Literatura

U ovom dijelu navedena je literatura i izvori koji će biti korišteni za izradu i pisanjedoktorske disertacije, a nisu direktno citirani kroz prethodni tekst. Također ovo ukazuje načinjenicu da će za sprovođenje istraživanja i pisanja rada biti pregledano i proučeno znatno više izvora nego što je navedeno kroz prijavu Projekta doktorske disertacije.

[1] Ayadi N., Lejeune F., Charrier F., Charrier B., Merlin A. »Color stability of heat-treated wood during artificial weatherin«. Holz als Roh- und Werkstoff 61 (2003) 221–226, Springer-Verlag, 2003 DOI 10.1007/s00107-003-0389-2.

[2] Hrnjica, Bahrudin, A. Danandeh Mehr., »Optimized genetic programming applications: emerging research and opportunities«. IGI Global, 2018.

[3] Boonstra, Michiel. »A two-stage thermal modification of wood.« Universitet Henri Poincare-Nancy, 2008.

[4] Bal, Bekir, Cihad. »A Comparative Study of Some of the Mechanical Properties of Pine Wood Heat Treated in Vacuum, Nitrogen, and Air Atmosphere.« BioResources, 2018: 5504-5511.

[5] Bohannan, Billy, i ML Selbo. »Evaluation of commercially made end joints in lumber by three test methods«. Svez. 41. Forest Products Laboratory, 1965.


28

[6] Boonstra, Michiel. »A two-stage thermal modification of wood.« Universitet Henri Poincare-Nancy, 2008.

[7] Brito, J,O, J,N Garcia, G,J Bortoletto, A,M Pessoa, i P,H Silva. »Densidadebásica e retratibilidade da madeira de Eucalyptus grandis, submetida a diferentes temperaturas de termorretificação.« Cerne, 2006, 2 izd.: 182-188.

[8] Bustos, Cecilia, Roger E Hernandez, Robert Beauregard, i Mohammad Mohammad. »Effects of end-pressure on the finger-joint quality of black spruce lumber: a microscopic analysis.« Maderas. Ciencia y tecnologia, 2011: 319-328.

[9] Bruno M. Esteves, and Helena M. Pereira Wood modification by heat treatment: A review. BioResources, 2008: 370-404.

[10] Dobrnjac M.. Hodžić A.: „Termodinamika-izvodi iz teorije sa riješenim zadacima“, Univerzitet u Bihaću, 2018.

[11] BAS EN 408 + A1, Drvene konstrukcije-Drvo za konstrukcije i ljepljeno lamelirano drvo – određivanje fizičkih i mehaničkih svojstava

[12] Calonego, F, W, E, T, D Severo, i A, W Ballarin. »Physical and mechanical properties of thermally modified wood from E. grandis.« European Journal of Wood and Wood Products, 2012, 70 izd.: 453-460.

[13] Danawade, Bharatesh A, Ravindra R Malagi, BS Patil, i NS Hanamapure. »Effect of finger joint on flexural strength of teak wood.« International Journal of Engineering and Technology, 2014: 4929-4937.

[14] Dawe, PS. »Standard tests for finger joints.« Wood, 1964: 45-47.[15] Dean Angela, Morris Max and Stufken, John and Bingham, Derek. Handbook of

Design and Analysis of Experiments. USA: CRC Press, 2015[16] Damir, Vučina. »Metode inženjerske numeričke optimizacije.« Sveučilište u Splitu,

Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Split, 2005.[17] Esteves, Bruno. C. »Pine wood modification by heat treatment in air.«

BioResources, 2008: 142-154.[18] Esteves, B, M, i M Pereira H. »Wood modification by heat treatment: A review: «

BioResources, 2008: 370-404.[19] Follrich, F, U Müller, i W Gindl. »Effects of thermal modification on the adhesion

between spruce wood (Picea abies Karst.) and a thermoplastic polymer.« Holz als Roh-und Werkstoff, 2006: 373-376.

[20] Franke, Bettina, Anna Schusser, i Andreas Muller. »Analysis of finger joints from beech wood.« U World conference on timber engineering, 2014.

[21] Goli, Giacomo and Marcon, Bertrand and Fioravanti, Marco. »Poplar wood heat treatment: effect of air ventilation rate and initial moisture content on reaction kinetics, physical and mechanical properties.« Wood science and technology, 2014: 1303-1316.

[22] Golub M, »Genetski algoritam. Drugi dio; Skripta, Verzija 2.2.« Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 2010.

[23] Gunduz, Gokhan, Suleyman Korkut, Deniz Aydemir, i Bekar Ilter. »The density, compression strength and surface hardness of heat treated hornbeam (Carpinus betulus L.) wood.« Maderas. Ciencia y tecnology, 2009, 1 izd.: 61-70.

[24] Hamid, Abdul, Nur Hasmiza, Mansur Ahmad, Mohd Nazip Suratman, i Falah Abu. »Bending Strength of Finger Jointed Kelat Wood (Syzygium spp.) as Affected by Finger Length and Orientation. « Svez. 1134. Trans Tech Publ, 2016.


29

[25] Hill, Callum AS. »Wood modification: chemical, thermal and other processes.« Svez. 5. John Wiley \& Sons, 2007.

[26] Keppel Geoffrey. »Design and analysis: A researcher's handbook. « Prentice-Hall, Inc, 1991.

[27] Humar, Miha, Davor Kržišnik, Boštjan Lesar, Nejc Thaler, Aleš Ugovšek, Klemen Zupančič, Mojca Žlahtič Zupanc. »Thermal modification of wax-impregnated wood to enhance its physical, mechanical, and biological properties. «Holzforschung, 57-64, 2017.

[28] Hasanagić Redžo. »Magistarski rad - Matematičko modeliranje zatezne sile loma elemenata od masivnog drveta produženog zupčastim vezom«. Tehnički fakultet

Bihać, 2014.[29] Hasanagic Redžo. »Modeling and prediction of fracture force to tighten solid wood

elements by genetic programming. « Časois Tehnika; 2018. vol.73, no. 5, p. 653-657, DOI: 10.5937/tehnika1805653H.

[30] Hasanagić Redžo, Hodžić Atif, Jurković Milan. »Modelling and optimization of tensile break force of solid wood elements lengthened by finger joint.« Journal of Adhesion Science and Technology (preprint).

[31] Milan Jurković. »Matematičko modeliranje inženjerskih procesa i sistema.«Mašinski fakultet Bihać, 1999.

[32] Milan Jurković. »Reinženjering proizvodnih poduzeća, razvoj i modernizacija proizvodnje. « Univerzitet u Bihaću, 2011.

[33] Jokerst, Ronald W. »Finger-Jointed Wood Products.« FOREST PRODUCTS LAB MADISON WI, 1981.

[34] Kamke, Frederick A and Harrison Sizemore. »Viscoelastic thermal compression of wood.« Google Patents, 2008.

[35] Kollmann, Franz. »Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe.«, 1951.[36] Kumar, VS Kishan and Upreti, NK and Khanduri, AK. »Effect of finger tip area on

the compression strength of finger jointed sections.« Journal of the Indian Academy of Wood Science, 2010: 25-29.

[37] Kubojima, Yoshitaka and Okano, Takeshi and Ohta, Masamitsu. »Journal of Wood Science. « 2000: 9-15.

[38] Laine, Kristiina and Rautkari, Lauri and Hughes, Mark and Kutnar, Andreja. »Reducing the set-recovery of surface densified solid Scots pine wood by hydrothermal post-treatment.« European Journal of Wood and Wood Products, 2013: 17-23.

[39] Militz, Holger. »Thermal treatment of wood: European processes and their background.« IRG/WP, 2002.

[40] Montgomery Douglas C. »Design and analysis of experiments. « John wiley \& sons, 2017.

[41] »Thermal treatment of wood: European processes and their background.« IRG/WP, 2002.

[42] Morsing, Niels, Hoffmeyer, Preben. »Densification of Wood.: The influence of hygrothermal treatment on compression of beech perpendicular to gain.«, 1998.

[43] Navi, Parviz, Girardet, Fred. »Effects of thermo-hydro-mechanical treatment on the structure and properties of wood.« Holzforschung, 2000: 287-293.


30

[44] Pěnčík, J. »Modelling of Experimental Tests of Wooden Specimens from Scots Pine (Pinus sylvestris) with the Help of Anisotropic Plasticity Material Model.« Wood Industry/Drvna Industrija, 2015.

[45] Rep, Gregor, Pohleven, Franc and Bucar, Bojan. »Characteristics of thermally modified wood in vacuum.« The International Research group on Wood preservation, 2004.

[46] Rautkari, Lauri and Laine, Kristiina and Kutnar, Andreja and Medved, Sergej and Hughes, Mark. »Hardness and density profile of surface densified and thermally modified Scots pine in relation to degree of densification.« Journal of materials science, 2013: 2370-2375.

[47] Ramiz Šelo, Džemo Tufekčić. »Proizvodni sistemi«, Univerzitet u Tuzli. Mašinski fakultet, 2007.

[48] Salah Eldien, Omer, i Redžo Hasanagić. »Konstrukcije proizvoda od drveta.« Bihać: Univerzitet u Bihaću-Tehnički fakultet, 2018.

[49] Sandberg, Dick and Haller, Peer and Navi, Parviz. »Thermo-hydro and thermo-hydro-mechanical wood processing: An opportunity for future environmentally friendly wood products.« Wood Material Science \& Engineering, 2013: 64-88.

[50] Sandberg, Dick and Kutnar, Andreja and Mantanis, George. »Wood modification technologies-a review.« iForest-Biogeosciences and Forestry, 2017: 895.

[51] Serrano, Erik. Adhesive joints in timber engineering. Modelling and testing of fracture properties. Lund University, 2000.

[52] Singh, CP and Kumar, VS Kishan and Shukla, Shikhar and Gupta, Sachin. »Effect of Finger Profiles on Maximum Tensile Stress of Eucalyptus Sections.« Research Journal of Agriculture and Forestry Science, August 2016.

[53] Šernek Milan, Humar Miha, Kumer Marko, Pohleven Franc. »Bonding of thermally modified spruce with PF and UF adhesives.« Proceedings of the 5th COST Action E34 International Workshop, Bonding of Modified Wood, 2007. 31-37.

[54] Topić M.R., Hodžić A.: „Nekonvencionalni načini sušenja“, Univerzitet u Bihaću,

2014.[55] Turklin Hrvoje, Vlatka Jirouš – Rajković. »Površinska postojanost drvenih

građevnih konstrukcija.« Šumarski list, Sveučilište u Zagrebu, Šumarski fakultet, 1997.

[56] Vassiliou, Vassilios and Barboutis, Ioannis and Karastergiou, Sotorios. »Effect of PVAc bonding on finger-joint strength of steamed and unsteamed beech wood (Fagus sylvatica).« Journal of Applied Polymer Science, 2007: 1664-1669.

[57] Zlahtic, Mojca and Thaler, Nejc and Humar, Miha. »Water uptake of thermally modified Norway spruce.«Drvna industrija: Znanstveni časopis za pitanja drvne tehnologije, 2016: 273-279.

[58] Xie H, Zhang Z. »Tuning Selection Pressure in Tour-nament Selection. « Victoria University of Wellington, New Zealand, 2009.

[59] http://www.drvene-terase.hr/clanci-detalji/termo-jasen/ Preuzeto: 15.01.2019.[60] http://fi107076470.fm.alibaba.com/product/127699775103482845/Thermo_Abachi

_Exterior_Claddings.html , Preuzeto: 28.04.2019.

[61] http://www.woodworkingb2b.com/Product/20259.htm, Preuzeto: 12.03.2019.[62] http://www.heatwood.se/en/thermowood/, Preuzeto: 18.03.2019.


31

[63] http://www.popularwoodworking.com/projects/thermally-modified-wood Preuzeto: 05.03.2019.

[64] http://preradadrveta.sfb.bg.ac.rs/arhiva/2007/br%2020/pd20_04_gubitak_mase.pdf ,

Preuzeto: 20.01.2019.[65] https://evolen.hr/?page_id=4071&lang=hr, Preuzeto: 20.01.2019.[66] https://korak.com.hr/korak-025-ozujak-2009-modifikacija-drva/,Preuzeto:

12.03.2019.[67] https://www.gradjevinarstvo.rs/tekstovi/ Preuzeto: 12.03.2019.[68] http://uredjenjestana.com/438/termicka-modifikacija-drveta/[69] https://drvotehnika.info/clanci Preuzeto: 07.03.2019.[70] https://www.scribd.com/doc/89391279/TermoDrvo Preuzeto: 11.04.2019.[71] http://zprojekti.mzos.hr/public/c2prikaz_det.asp?cid=1&psid=22&ID=2155,

Preuzeto: 04.05.2019.[72] https://www.frischeis.hr/proizvodi/podnice-za-terase/termo_drvo, Preuzeto:

16.04.2019.

podaci i informacije o kandidatu...nedovoljnu trajnost. prije svega, drvo je podložno razgradnji...

Documents