2. Teori
2.9. Materialegenskaper
Vid brandprojekteringen av, världens idag högsta trähus, Mjöstornet i Brummundal, Norge utfördes i limträleverantören Moelven Töreboda AB:s regi ett brandlastexperiment. I
experimentet sänktes en limträpelare med kvadratiskt tvärsnitt 500x500mm ner i en ugn med gasolbrännare och utsattes för en fyrsidig brandbelastning. Pelaren brändes under 90 minuter till dess att ugnens temperatur hade ökat till 1000 °. Resultatet visade på att temperaturen i
pelarens centrum ökade med endast 1 ° och att tvärsnittssidorna minskade med 74mm som
mest. Vidare visade experimentet att temperaturen i ugnen sjönk drastiskt så snart
gasolbrännarna stängdes av vilket förklarades av att pelaren slocknat och saknar förmågan att brinna själv. Till följd av limträets naturliga brandmotstånd kunde brandklass R120 uppnås med obehandlade träbärverk som kompletterades med ett sprinklersystem (Åhlen, 2018).
Experimentets utfall styrks i litteraturen. Bl.a.i limträhandboken del 2 som gavs ut av Svenskt trä 2016 där trä beskrivs som ett material vars kärna inte påverkas av en temperaturhöjning till följd av en omslutande brandlast och således behåller sina mekaniska egenskaper (Just et al., 2016). Förklaringen ligger i att trä är ett värmeledningströgt material som, vars tvärsnitt vid brand, befinner sig i tre olika stadier. Initialt och inne i kärnan är träet opåverkat av den omslutande branden. När träet uppnått ca 120 ° förlorar det sina mekaniska egenskaper men
det är inte varmt nog att förkolnas. Detta stadium är cirka 10-20mm och uppstår mellan det opåverkade trästycket närmast centrum och det förkolnade skiktet närmast branden och kallas för pyrolyszon. Till följd av emissioner av flyktiga gaser från pyrolyszonen uppstår en
konvektion som har en avkylande effekt samtidigt som det glödande ytskiktet värmer upp materialet via konduktion. Det tredje stadiet uppstår närmast branden då temperaturen når ca 300 °. Vid så höga temperaturer förkolnas träet och bildar som en skyddande och isolerande
skorpa utanpå pyrolyszonen (Just et al., 2016). Det förkolnade träet omvandlas till aska och faller efter en tid av vilket förskjuter pyrolyszonen inåt i tvärsnittet med
inbränningshastigheten 0,65mm/min (Gustafsson, 2017) och branden får tillgång till mer bränsle.
Figur 21: Visualisering av brandförloppet i ett trästycke (Just et al., 2016).
Fördelen med trä i brandavseende är således att det har ett förutsägbart och långsamt beteendemönster för hur tvärsnittet minskas (Just et al., 2016) vilket möjliggör att träets mekaniska egenskaper kan bestämmas i varje del av brandförloppet med beprövade metoder.
Det krävs dock att projektören gör skillnad på trä och trä då lim- och massivträs (läs k-virke) förväntade påverkan av en brand är relativt likvärdig eftersom det bär i samma riktning genom hela tvärsnittet till skillnad från KL-trä. Enligt Gustafsson (2017) behöver projektören
vid branddimensioneringen ta hänsyn till tjockleken på KL-träskivans lameller eftersom de primärt är bärande i vart annat skikt genom KL-träskivan. Om ett bärande skikt brinner av så måste kvarstående skikt klara av att bära konstruktionen och det är därför av stor vikt att projektören inte bara vet hur djupt inne i tvärsnittet denne räknar utan i vilket skikt punkten befinner sig i.
En KL-träskiva är mer komplex i flera avseenden bl.a. eftersom skikten samverkar med varandra genom limfogar så krävs det att limmet inte löses upp i värmen (läs delaminerar). När en limfog delamineras faller träskiktet, förkolnat eller ej, av resten av skivan och
exponerar ett nytt färskt bränsle för branden vilket påskyndar inbränningshastigheten. Således finns olika inbränningshastigheter för olika limtyper där MUF-lim (melaminureaformaldehyd-lim), som inte delaminerar, ger skivan samma inbränningshastighet som massivträ medan PUR-lim (polyuretan-lim), som delaminerar, fördubblar inbränningshastigheten för de första 25mm av varje skikt (Gustafsson et al., 2017).
2.9.2. Fuktegenskaper
Trä är ett hygroskopiskt material vilket innebär att det dynamiskt anpassar sig till
omgivningens temperatur och fuktrörelser. Vid uppfuktning sväller träet med motsvarande volym av det upptagna vattnet och vid uttorkning krymper träet med motsvarande avgivna vattenvolym (Svenskt trä, 2017b). Träets fuktbetingade rörelser är anisotropa. Som
konsekvens av att fuktrörelserna i träet är anisotropa så kommer träets tvärsnitt att deformeras på olika sätt beroende av två faktorer; var i stocken de härrör och om rörelsen uppkommer till följd av fuktabsorption (uppfuktning) eller -desorption (uttorkning). Fuktrörelserna påverkar dock inte bara deformationer av tvärsnittet utan även värmeledningsförmågan och
hållfastheten påverkas (Burström, 2007).
Figur 22 vänstra bilden: Illustration av hur olika tvärsnitt formförändras vid uttorkning beroende var i stocken de härrör (Träguiden, 2017)
Figur 23: högra bilden: Illustration av hur trästycken med rektangulära tvärsnitt formförändras vid uttorkning (Träguiden, 2017).
Anledningen till att trä är ett hygroskopiskt material kan förklaras av träets microstruktur. Trä är uppbyggt av ihåliga celler där fukten initialt samlas i cellväggarna i stadium av
uppfuktning. När cellerna når fibermättnadspunkten (ca 23 – 30 % fuktkvot beroende av träslag) så fylls hålrummen i fibrerna med fritt vatten. Vid uttorkningsprocessen så avdunstar först det fria vattnet till dess att fibermättnadspunkten åter nås. Uttorkning under
fibermättnadspunkten är det som ger upphov till ovan nämnda krympdeformationer i virket (Burström, 2007).
En oisolerad KL-träskiva i klimatskalet medför olika fuktförhållanden för skivan på varma och kalla sidan vilket får till följd att skivan välver sig genom att krympa på insidan och svälla på utsidan. Eftersom KL-träskivans skikt är ortogonalt limmade mot varandra och att trä deformeras anisotropt till följd av fuktrörelser så deformeras en KL-träskiva dock inte i lika stor utsträckning som massivträ. Påverkande faktorer är träslag, lamellernas tjocklek och antal skikt i KL-träskivan (Gustafsson et al., 2017).
Figur 24: Illustration av hur en kl-träskiva av barrträ med sidan 100mm krymper till följd av uttorkning från 20% FK till 10% (Gustafsson et al., 2017).
I en del konstruktioner är det av vikt att erhålla så lika krympning som möjligt mellan olika virkesstycken. Bl.a. i golvkonstruktioner där balkar och reglar bör krympa så lite och lika som möjligt för att inte riskera golvknarr (Esping, B., Salin, J.-G., & Sander, P., 2005).
Trä är ett material med en hög kapillaritet dvs. att det kapillärt kan suga upp vatten i vätskefas. Dock kan trä endast torka ut genom att avge fukten som ånga och därför tar det mycket längre tid att torka ut trä än att uppfukta det om uppfuktningen härrört
kapillärsugning. I fiberriktningen dvs. genom ändträet är förmågan att ta upp fukt 20 gånger större än tangentiellt fiberriktningen och 10 gånger större radiellt fiberriktningen.
Kapillariteten varierar mellan olika träslag. T.ex. tas fukt upp långsamt i både kärna och splint hos gran medan fukt tas upp flera gånger snabbare i furuns splint än i dess kärna. Som följd bör skikt av trä som placeras utvändigt och utsätts för nederbörd i första hand vara gran (Esping, B., Salin, J.-G., & Sander, P., 2005).
Trä är ett organiskt material och löper där av risk för påverkan av bl.a. olika skadedjur och svampar. Vid olika hög fuktkvot och/eller omgivande RF uppstår kritiska intervall där de olika angreppen vanligen uppstår, se figur 25 nedan.
Figur 25: Schematisk bild över kritiska fuktkvoter i trä för olika risker inspirerad av Esping, B., Salin, J.-G., & Sander, P., (2005).
Studier visar att Stora Ensos KL-träelement med en tjocklek av 100 mm fördelade på 3 skikt inkl. en stegfalsskarv (halvt i halvt förband) och en skivskarv (skarv med lask) är lufttäta vid normala fuktvariationer (Stora Enso, U.Å). Andra studier har visat på att limmet som
förbinder de olika lamellskikten agerar som variabla ångbromsar som skyddar det termiska skiktet utanpå träskivan från den fuktiga inomhusluften. Det medför att Stora Ensos KL-trä, från och med tre skikt, kan anses lufttätt och projekteras varaktigt diffusionsöppet inåt och utåt (Stora Enso, U.Å) dvs. utan plastfolie. Nämnas bör dock att Stora Enso är den enda producenten, på den svenska marknaden, som kantlimmar sina lameller.
2.9.3. Hållfasthetsegenskaper
Liksom nämnts tidigare så är trä ett anisotropt material vilket även medför att det har olika mekaniska och statiska egenskaper i olika riktningar. Enligt figur 26 så ökar hållfastheten vid en lägre fuktkvot men den skiljer sig även avseende vilken typ av lasteffekt träet utsätts för. Figur 26 visar att träets största hållfasthet uppnås vid drag parallellt fibrerna. När trä belastas till brott enligt detta belastningsfall så uppstår ett relativt sprött brott. Vid böjning ortogonalt fibrerna tas de största spänningarna upp i träets dragzon vilket medför en dragning parallellt fibrerna som ovan nämnts var träets största styrka. När träet utsätts för tryckande belastning parallellt fibrerna knäcks de långa och slanka fibrerna. Fenomenet kallas fiberknäckning och kan jämföras med att tryckbelasta ett rep. Vid denna typ av belastning uppnås en hållfasthet motsvarande ungefär hälften av dragning parallellt fibrerna. Skjuvning parallellt fibrerna uppstår när trästycket belastas med en böjande lasteffekt. Som synes av figur 26 så har trä en naturligt dålig förmåga att motstå skjuvspänningar i längsplanet. Trä har ihåliga celler med tunna cellväggar så när trä utsätts för tryck ortogonalt fiberriktningen så trycks dessa celler lätt ihop och där av har trä dåliga egenskaper för att motstå tryckande belastning i den riktningen (Burström, 2017).
Figur 26: Schematisk presentation av träets hållfasthetsegenskaper vid olika belastningsfall och fuktkvoter inspirerad av Burström (2017).
Även temperaturen har betydelse för hållfastheten, se figur 27 och 28. Anledningen är att ligninet förlorar sina förstyvande egenskaper när det mjuknas upp i högre temperaturer. Ju högre fuktkvot trästycket har, desto större blir temperatureffekten på hållfastheten. En
kortvarig temperaturbelastning medför bara en temporär hållfasthetsförlust men om temperaturbelastningen verkar över tid så kan hållfasthetsförlusten bli bestående. Faktorer som inverkar på storleken av hållfasthetsförlusten är temperatur, träslag och varaktighet.
Figur 27: vänstra bilden: Illustration av hur temperaturen påverkar olika träslag vid tryckande belastning inspirerad av Kollman & Coté jr (1968).
Figur 28: högra bilden: Böjhållfastheten hos furu som funktion av torrdensiteten vid olika temperaturer och fuktkvot 12% inspirerad av Burström (2017).
Slutligen så är ingående defekter i virket såsom sprickor och kvistar betydande för
hållfastheten då de bidrar till att lokala spänningskoncentrationer och brottanvisningar uppstår vilket i sin tur försämrar virkets hållfasthet avsevärt (Burström, 2017).
2.9.4. Beständighet
Trä är ett organiskt material vilket gör det känsligt för fukt. Beständigheten mellan olika träslag är stor liksom beständigheten mellan olika snitt i trädstammen. Kärnveden har slutna fibrer till skillnad från splintveden som gör att vattentransport förhindras och därtill innehåller kärnveden sk. extraktivämnen (harts- och fettsyror, mineraler, och kolhydrater) som dels motverkar upptagningen av vatten och dels motverkar svampangrepp. I Tabell 6 nedan presenteras uppskattade livslängder för oinklätt furu i det fria (Svenskt trä, 2019).
Tabell 6: Uppskattade livslängder för oinklätt furu i det fria (Svenskt trä, 2019)
Oskyddat Under tak Ständigt torrt
Furu 40 – 85 år 90 – 120 år 120 – 1000 år
På träguiden står att läsa att trä har goda syrabeständighetsegenskaper och klarar relativt sura miljöer ner till ett pH-värde om 2 medan stål börjar brytas ned redan vid ett pH-värde om 5. Trä påverkas heller inte av salter (Svenskt trä, 2018).