TP
Joakim Norén
Virkeskvalitet
Bärförmåga vid brand
D e l l
The Load-Bearing Capacity
of Structural Timber in Fire
Parti
Trätek
Joakim Norén
V I R K E S K V A L I T E T - B Ä R F Ö R M A G A V I D B R A N D Del 1
The Load-Bearing Capacity of Structural Timber in Five, Part I. TräteknikCentrum, Rapport I 8711072
Nyckelord charring grades knots
load bearing capacity structural lumber
Rapporter från TräteknikCentrum är kompletta sammanställningar av forskningsresultat eller översikter, utvecklingar och studier. Publicerade rapporter betecknas med I eller P och numreras tilisammans med alla utgåvor från Träteknik-Centrum i löpande följd.
Rapporter kan som regel beställas kostnadsfritt i ett exemplar av medlemsföretag. Ytterligare be-ställda exemplar faktureras.
Citat tillätes om källan anges.
Reports issued by the Swedish Institute for Wood Technology Research comprise complete accounts for research results, or summaries, surveys and
stu-dies. Published reports bear the designation I or P and are numbered in consecutive order together with all the other publications from the Institute.
Member companies may generally order one copy of any report free of charge. A charge will be made for any further copies ordered.
Extracts from the text may be reproduced provided the source is acknowledged.
TräteknikCentrum betjänar de fem industrigre-narna sågverk, trämanufaktur (snickeri-, trähus-, möbel- och övrig träbearbetande industri), träfi-berskivor, spånskivor och plywood. Ett avtal om forskning och utveckling mellan industrin och Styrelsen för Teknisk Utveckling (STU) utgör grunden för verksamheten som utförs med egna, samverkande och externa resurser. Träteknik-Centrum har forskningsenheter, förutom i Stock-holm, även i Jönköping och Skellefteå.
The Swedish Institute for Wood Technology Re-search serves the five branches of the industry: saw-mills, manufacturing (joinery, wooden houses, fur-niture and other woodworking plants), fibre board, particle board and plywood. A research and deve-lopment agreement between the industry and the Swedish National Board for Technical Development (STU) forms the basis for the Institute's activities. The Institute utilises its own resources as well as those of its collaborators and other outside bodies. Apart from Stockholm, research units are also located in Jönköping and Skellefteå.
I N N E H Å L L S F Ö R T E C K N I N G
Sid
SAMMANFATTNING 3 INTRODUKTION 4 FÖRKOLNING - ORIENTERANDE STUDIE 5
EXPERIMENT 6 Val av p r o v m a t e r i a l 6
Val av lastnivå 9 Brandprovning 10 RESULTAT OCH UTVÄRDERING 12
Tid t i l l b r o t t v i d brand 12 B r o t t b e t e e n d e 15 Bärförmåga - Termiska e f f e k t e r 15 SLUTSATSER 19 REFERENSER 20 SUMMARY 21
A r b e t e t ingår som en d e l i forskningsprogrammet "Träkon-s t r u k t i o n e r och brand" "Träkon-som f i n a n "Träkon-s i e r a "Träkon-s gemen"Träkon-samt av STU, BFR, Brandforsk och Trätek.
SAMMANFATTNING
V i r k e s k v a l i t e t e n s inverkan på k o n s t r u k t i o n s v i r k e s bärförmåga v i d brand har s t u d e r a t s genom brandförsök. E t t a v s n i t t i m i t t e n av provkropparna, med för hållfastheten avgörande k v i s t a r , har b e l a s t a t s med e t t konstant böjande mo-ment under s a m t i d i g brandpåverkan. K o n s t r u k t i o n s v i r k e av gran av o l i k a
kva-l i t e t har använts i s t u d i e n . Försöken har genomförts i en kva-l i t e n ugn.
För a t t begränsa a n t a l e t prov har en metod a t t matcha v i r k e använts där par av två sinsemellan " l i k a " prov har t a g i t s u t . E t t prov har använts för r e -ferensvärde på s t y r k a v i d normal temperatur och e t t för brandprovning. Bel a s t n i n g e n v i d brand har v a Bel t s t i Bel Bel en t r e d j e d e Bel av r e f e r e n s p r o v e t s k o r t -tidshållfasthet bestämd e n l i g t standardprovning.
Två metoder användes v i d jämförelse av k v a l i t e t e r n a , dels t i d e n t i l l b r o t t , d e l s reduktionen i hållfasthet p g a de termiska e f f e k t e r n a . Någon s k i l l n a d kunde i n t e påvisas med någon av metoderna.
4
INTRODUKTION
Vid dimensionering av bärande träkonstruktioner behandlas idag trä u r de o l i k a hållfasthetsklasserna l i k a med avseende på brandmotstånd. Om d e t t a återspeglar d e t v e r k l i g a beteendet har i n t e s t u d e r a t s men är v i k t i g t a t t känna t i l l både för en mer nyanserad syn på träkonstruktioners brandmot-stånd och som underlag för de t e o r e t i s k a beräkningsmodeller som f n utveck-l a s .
Tillgängliga värden på s t y r k a hos trä v i d höga temperaturer och v a r i e r a n d e fuktinnehåll avser v i r k e utan k v i s t a r (Gerhards, 1981; östman, 1985). Det-samma gäller förkolningshastighet i trä ( S c h a f f e r , 1967). Det är osäkert i v i l k e n utsträckning sådana värden för h e l r e n t trä kan tillämpas på kon-s t r u k t i o n kon-s v i r k e av v a n l i g k v a l i t e t där l o k a l a k v i kon-s t a r avgör hållfakon-sthet och dimensioneringsvärden. Några s t u d i e r av denna fråga har i n t e påträffats i
l i t t e r a t u r e n .
A v s i k t e n med denna undersökning har primärt v a r i t a t t i en förstudie bedöma om k v a l i t e t e n hos k o n s t r u k t i o n s v i r k e påverkar r e d u k t i o n e n av bärförmågan vid brand. Studien har huvudsakligen utförts genom mätningar av t i d t i l l b r o t t för v i r k e s a m t i d i g t u t s a t t för böjbelastning och brand. Den är i n r i k -tad på v i r k e med k v i s t a r av o l i k a s t o r l e k , konstant b e l a s t a t t i l l u t v a l d a nivåer av spänning i r e l a t i o n t i l l korttidshållfasthet bestämd v i d rumstem-p e r a t u r .
FÖRKOLNING - ORIENTERANDE STUDIE
Förkolningen v i d k v i s t hos o b e l a s t a t v i r k e av gran och f u r u studerades i en inledande försöksserie. V i r k e s s t y c k e n placerades i en ugn utan b e l a s t n i n g (se k a p i t e l Experiment) och u t s a t t e s för en termisk påverkan som motsvarar t i d - t e m p e r a t u r k u r v a n e n l i g t ISO 834 och SIS 02 48 20. Försöken avbröts e f t e r en bestämd t i d , 10 e l l e r 15 min, v a r e f t e r provkropparna kyldes med v a t t e n för a t t förhindra y t t e r l i g a r e förkolning.
Förkolningen studerades dels på uppsågade tvärsnitt, dels på f o t o g r a f i e r tagna i en datortomograf (Hägglund och L i n d g r e n , 1987). Nedan v i s a s exempel på e t t tvärsnitt genom en provkropp av gran som har u t s a t t s för brandpåver-kan under 15 m i n u t e r . De mörka p a r t i e r n a motsvarar a v s n i t t med låg densi-t e densi-t , densi-t ex k o l s k i k densi-t och s p r i c k o r . A v s n i densi-t densi-t med högre d e n s i densi-t e densi-t , densi-t ex k v i s densi-t a r , a v b i l d a s l j u s a r e .
Av f i g u r e n framgår a t t förkolningen går något långsammare i k v i s t e n och i området närmast k v i s t e n än i den v a n l i g a stamveden. Detta kan förklaras av k v i s t a r n a s höga d e n s i t e t och hartsinnehåll. Hos gran och f u r u är d e n s i t e t e n i k v i s t v e d g e n e r e l l t ungefär dubbelt så s t o r som i stamved. Den genomsnitt-l i g a h a r t s h a genomsnitt-l t e n är i f u r u k v i s t 34 % av v i r k e t s t o r r a v i k t och i g r a n k v i s t 14 ^, v i l k e t är b e t y d l i g t högre än i stamved, där h a r t s h a l t e n är 3,7 % res-p e k t i v e 1,5 % ( B o u t e l j e , 1966). Även hartsmängden nära en k v i s t är något högre än mängden h a r t s i det övriga s t a m v i r k e t .
Exempel på brandpåverkat tvärsnitt f o t o g r a f e r a t i datortomograf. Ljusa par-t i e r är områden med hög d e n s i par-t e par-t , par-t ex sommarved och k v i s par-t . Områden med låg d e n s i t e t är mörka, t ex vårved och k o l . Den l j u s a l i n j e n markerar ursprung-l i g t tvärsnitt.
EXPERIMENT
Val av p r o v m a t e r i a l
En förutsättning för a t t nå menin att belastningsnivån r e l a t e r a s t i tur och f u k t k v o t . För d e t t a behöv b e l a s t a s t i l l b r o t t på normalt sä brand. En metod är a t t använda t v egenskaper som anses motsvara l i k b a r t hänvisning t i l l hållfasthets skattade hållfastheten är alltför ningen i sambandet mellan böjhåll högkant ( B r u n d i n , 1981).
g s f u l l a r e s u l t a t med brandprovningen är 11 v i r k e t s hållfasthet v i d normal tempera-s i grupper med e n h e t l i g t m a t e r i a l , tempera-som t t ( v i d rumstemperatur) r e s p e k t i v e under å r e l a t i v t s t o r a grupper av v i r k e med a hållfasthetsfördelning i grupperna. En-s o r t e r i n g är i n t e tillräcklig efterEn-som den
osäker. F i g u r 1 v i s a r exempel på s p r i d -f a s t h e t och e l a s t i c i t e t s m o d u l bestämd på lee 99 80 70 UJ £ 60 v> < u. :j S0 .< r o 40 CD 30 20 10 0 0 6 8 10 12 14 SANN ELASrXCITETSMODUL 18 29 GPA
Figur 1 . Sambandet mellan böjhållfasthet och e l a s t i c i t e t s m o d u l för
2219 v i r k e s s t y c k e n av f u r u och gran med dimensionerna 38 x 150, 50 X 100, 50 X 150 och 50 x 200 mm ( B r u n d i n , 1981).
För a t t reducera a n t a l e t prov tillämpas så k a l l a d parmatchning, d v s u t t a g n i n g av par av två sinsemellan " l i k a " prov u r samma s t o c k , e t t för r e f e -rensvärde på s t y r k a , e t t för brandprovning. Uttagningsmetoden har t i d i g a r e använts för jämförelse av t i d t i l l b r o t t v i d o l i k a belastningsnivåer v i d normal temperatur (Norén B., 1985).
Två grupper av v i r k e togs u t , d e l s v i r k e av låg k v a l i t e t med för hållfast-heten avgörande k v i s t a r , d e l s v i r k e av hög k v a l i t e t utan k v i s t e l l e r med endast små k v i s t a r . V i r k e t togs u t d i r e k t v i d e t t sågverk (Nyby Såg). Två p a r v i s " l i k a " prov erhölls från samma längdsnitt och symmetriskt i förhål-lande t i l l märgen i s t o c k e n . Såväl symmetriskt kluvna k v i s t a r som hela l i k a k v i s t a r förekom, se f i g u r 2.
A l l t v i r k e var med e t t undantag gran (Picea a b i e s ) . Det k o n d i t i o n e r a d e s v i d 20 "C och 80 % RF, v i l k e t gav ca 17 % f u k t k v o t , och bearbetades t i l l s l u t -dimensionerna 45 X 120 X 2300 mm.
h e l a l i k a k v i s t a r
s y m m e t r i s k t
F i g u r 2.
Exempel på märgkluvet v i r k e med symmetriskt kluven k v i s t r e s p e k t i v e hela l i k a k v i s t a r .
Samtliga provers böjstyvhet på högkant bestämdes i mittzonen genom a t t ned-böjningen mättes över 600 mm längd i t r e p o s i t i o n e r , förskjutna 150 mm, se f i g u r 3. K v i s t a r avgörande för hållfastheten placerades v i d styvhetsmät-ningen på p r o v e t s dragna s i d a . R e s u l t a t e n användes för a t t s k a t t a hållfast-h e t s a v v i k e l s e r mellan proven inom de matchållfast-hade paren.
I f i g u r 4 ges exempel på sambandet mellan krökningen för mät längd n r 2 (300 mm) och b e l a s t n i n g e n (maximerad t i l l 1/10 av uppskattad bärförmåga). Från l u t n i n g e n på den heldragna l i n j e n har p r o v e t s medelböjstyvhet be-stämts.
I t a b e l l 1 ges kvoterna av böjstyvhetsvärdena för s a m t l i g a v i r k e s p a r uppdel a depS~~'Tieuppdel ren a" prov, 17 s t , och prov med k v i s t , 20 s t . Par med s t y v h e t s -r e l a t i o n 0,8 - 1,25 mellan i n d i v i d e -r n a ha-r g o d t a g i t s fö-r hållfasthetsp-rov- hållfasthetsprov-n i hållfasthetsprov-n g . S k i l l hållfasthetsprov-n a d e hållfasthetsprov-n i d e hållfasthetsprov-n s i t e t mellahållfasthetsprov-n grupperhållfasthetsprov-na är l i t e hållfasthetsprov-n , v i l k e t också gäller s p r i d n i n g e n i d e n s i t e t inom r e s p e k t i v e grupp. l a s t . kN g i v a r e I 150 mm I 150 mm J, 150 mm 150 mm | 600 mm L nätiangd 2 mätiangd 4 4 F i g u r 3.
Givare och mätlängder för be-stämning av medelkrökning. j H e 7 i 8 i i o«t M x l i t t - IIOI Oar.lMt - 10»7 rf 5 X 10"^ t n e d e l k r f l k n i n g , mm"' F i g u r 4.
Exempel på sambandet mellan medelkrök-ningen och b e l a s t n i n g e n (prov nr 1511). Från l u t n i n g e n på den heldragna l i n j e n har p r o v e t s medelböjstyvhet bestämts.
TABELL 1. K a r a k t e r i s t i k av p r o v m a t e r i a l .
Prov nr Kvot av böj- Densitetl»^) F u k t k v o t D Ani s t y v h e t kg/m^ % Helrena prov 211/ 212 0,98 510 17,2 221/ 222 0,85 515 17,2 411/ 412 1,17 455 17,2 421/ 422 1,16 460 17,2 511/ 512 1,04 480 17,1 521/ 522 0,89 500 17,1 911/ 912 1,00 520 17,2 921/ 922 1,14 540 17,4 1011/1012 1,10 460 17,6 1021/1022 1,17 465 17,6 1221/1222 0,97 460 17,4 1911/1912 1,15 450 17,2 1921/1922 0,95 455 17,2 2221/2222 0,96 575 17,2 2311/2312 0,90 520 17,2 2321/2322 1,00 535 17,2 3621/3622 0,93 475 17,1 Medelvärde 1,02 493 17,3 Standardavv. 0,11 37 0,2 Prov med k v i s t 311/ 312 1,25 520 18,0 611/ 612 0,95 435 16,9 711/ 712 0,91 490 17,0 1111/1112 1,11 515 17,1 1311/1312 0,85 590 17,3 1511/1512 1,04 535 16,2 Furu 1611/1612 1,19 425 17,0 1711/1712 0,95 505 17,5 1811/1812 0,90 515 17,4 2011/2012 1,12 490 17,1 2511/2512 0,91 525 17,1 2611/2612 1,19 540 17,5 2811/2812 1,11 545 17,9 3011/3012 1,10 440 16,9 3111/3112 0,96 505 17,1 3121/3122 0,96 485 17,1 3211/3212 0,96 440 17,0 3411/3412 1,00 465 16,8 3511/3512 0,98 475 16,9 3711/3712 1,21 520 16,9 Medelvärde 1,03 498 17,1 Standardavv. 0,12 42 0,4
1) Gäller prov avsedda för brandförsök. 2) V i d jämviktsfuktkvot, ca 17 %,
Prov med s t y v h e t s r e l a t i o n mellan i n d i v i d e r n a utanför i n t e r -v a l l e t 0,8 - 1,25 har u t e s l u t i t s ( t o t a l t 11 p r o -v ) .
Val av lastnivå
För v a l av lastnivå v i d brandprovningen bestämdes först korttidshållfasthe-ten genom standardprovning av r e f e r e n s p r o v e t i v a r j e par. Provningsupp-ställningen framgår av f i g u r 5. Avståndet mellan l a s t e r n a är 6 gånger tvär-snittshöjden (720 mm) och nedböjningshastigheten under l a s t e r n a 6 mm/min. F i q u r 6 v i s a r referensprovens böjbrottpåkänning som f u n k t i o n av böjstyvheten (bestämd v i d styvhetsmätningen) inom mätlängd n r 4 (600 mm). B r o t t l a s -ten för den för brandprovning avsedda r e p l i k e n s a t t e s därefter l i k a med re-f e r e n s p r o v e t s b r o t t l a s t e re-f t e r linjär k o r r i g e r i n g re-för s k i l l n a d i böjstyv-h e t . P r i n c i p e n framgår av f i g u r 6.
Belastningen v i d brandpåverkan valdes s l u t l i g e n t i l l en t r e d j e d e l av den k o r r i g e r a d e b r o t t l a s t e n , v i l k e t ungefär motsvarar tillåten k o r t t i d s l a s t .
F
p r o v k r o p p
1 1 1 720 mm i 720 mmt
720 mm r — 2300 mm ^—+
F F i g u r 5. Uppställning för bestämning av korttidshållfasthet e n l i g t standardprovning. 60 ibrottpåkänning, MPa 50 40 30korrigerad brottpékanning 611 (referensprov)
i96iZ (replik)
4^ replikens bO]styvhet
böistyvhet kNm^ O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Figur 6. Referensprovens böjbrottpåkänning som f u n k t i o n av böj styvheten över mätlängd nr 4 (heldragen l i n j e ) , e n l i g t f i g u r 3. I n r i t a d e p i l a r anger p r i n c i p för beräkning av brottpåkänning för e t t för b r a n d b e l a s t n i n g a v s e t t prov ( n r 612) ur r e f e r e n s p r o v e t s ( n r 611) brottpåkänning. Streckad l i n j e motsvarar heldragen l i n j e
10
Brandprovning
Försöken med brandpåverkan under l a s t har genomförts i en l i t e n ugn med en b e l a s t n i n g s a n o r d n i n g . Provningsuppställningen framgår av f i g u r 7. provkropp —
t
1 — l e dA-Y
1
l e d "/
f l
• •
n •1
\j ' ^ l j. g
4-7777r 7^F i g u r 7. övre: Ugn med b e l a s t n i n g s a n o r d n i n g .
Undre: S t a t i s k t verkningssätt hos b e l a s t n i n g s a n o r d n i n g .
Ugnen, som t i d i g a r e använts för a t t bestämma brandmotstånd hos beklädnadss k i v o r (Norén och öbeklädnadsstman, 1985), har m o d i f i e r a t beklädnadss beklädnadsså a t t provkroppar kan u t -sättas för brandpåverkan under s t a t i s k b e l a s t n i n g . Den u r s p r u n g l i g a ugnen har byggts på 300 mm på höjden och försetts med öppningar på k o r t s i d o r n a . Detta gör det möjligt a t t placera en provkropp genom ugnen. I ugnen utsätts provkroppen f o r brandpåverkan från f y r a s i d o r på en längd av ca 450 mm. Den termiska påverkan motsvarar t i d - t e m p e r a t u r k u r v a n för standardbrand e n l i g t ISO 834 och SIS 02 48 20, se f i g u r 8.
Två v i k t b e l a s t a d e hävarmar ger provkroppen e t t konstant böjande moment mel-l a n uppmel-lagen, d v s i området där ugnen är p mel-l a c e r a d . En mel-l e d under det ena stödbenet för hävarmen möjliggör h o r i s o n t e l l a längdändringar hos provkrop-pen. F i g u r 9 v i s a r e t t b e l a s t a t prov innan brandförsöket s t a r t a r .
11 Provkropparna placerades i p r o v n i n g s r i g g e n och belastades s t e g v i s upp t i l l
bestämd lastnivå som uppnåddes e f t e r ungefär en t i l l två m i n u t e r . Lasten f i c k sedan v i l a y t t e r l i g a r e e t t par minuter innan brandförsöket påbörjades Temperaturen i ugnen r e g i s t r e r a d e s under försöken i d a t o r var 15:e sekund-Under försöken bestämdes nedbojningen på avståndet 1,1 m från ena upplaget samt t i d t i l l b r o t t . T i d t i l l b r o t t d e f i n i e r a s som t i d e n från brandförsö-k e t s s t a r t t i l l dess a t t nedbojningen öbrandförsö-kar brandförsö-k r a f t i g t och brandförsö-k o l l a p s inträffar e n l i g t f i g u r 10. Provkropparna k y l d e s sedan omedelbart med v a t t e n för a t t förhindra y t t e r l i g a r e förkolning. t e m p e r a t u r s t e g r i n g , °C BOO PROV 522 ugnstemperatur standardbrandkurva F i g u r 8. Standardbrandkurva e n l i g t ISO 834 och e t t t y p i s k t exempel på uppmätt ugnstemperatur (prov 5 2 2 ) .
Figur 9.
B e l a s t a t prov innan brandförsök. Ugnens översida är f o r t f a r a n d e öppen.
d e f o r m a t i o n
v i l o t i d p a i a s t n i n g / b r a n d p r o v n i n g t i d ii-2iin 2 lin I k ^ f 10 lin • O t i d t i l l b r o t t 5-10 s F i g u r 10.Deformation 1,1 m från upplag som f u n k t i o n av t i d e n .
12
RESULTAT OCH UTVÄRDERING Tid t i l l b r o t t v i d brand
Tid t i l l b r o t t v i d brand är den parameter som e n k l a s t k a r a k t e r i s e r a r even-t u e l l a s k i l l n a d e r i bärförmåga. I f i g u r 11 ges den r e l a even-t i v a fördelningen över t i d t i l l b r o t t för det oklassade m a t e r i a l e t uppdelat på " h e l r e n a " prov
(heldragen kurva) och prov med k v i s t ( s t r e c k a d k u r v a ) . F i g u r 12 v i s a r h i s -togram och t i l l normalfördelningen anpassade f r e k v e n s k u r v o r över t i d t i l l b r o t t för p r o v m a t e r i a l e t uppdelat i " h e l r e n a " prov, prov med k v i s t och för s a m t l i g a p r o v . Prov med k v i s t har en något större s p r i d n i n g än " h e l r e n a " prov, v i l k e t är n a t u r l i g t e f t e r s o m hållfasthetsvariationerna är större p g a l o k a l a fiberstörningar v i d k v i s t . I f i g u r 12 har även f r e k v e n s k u r v o r -na över t i d t i l l b r o t t sammanställts för s a m t l i g a prov (heldragen kurva) r e s p e k t i v e m a t e r i a l e t d e l a t i " h e l r e n a " prov ( p r i c k a d kurva) och prov med k v i s t ( s t r e c k a d k u r v a ) . S k i l l n a d e n mellan kurvorna är o b e t y d l i g och medelvärdet för t i d t i l l b r o t t p r a k t i s k t taget detsamma för båda v i r k e s k v a l i t e -t e r n a . I -t a b e l l 2 ges en sammans-tällning av da-ta över -t i d -t i l l b r o -t -t . Spridningen i t i d t i l l b r o t t är l i t e n och beror d e l s på s p r i d n i n g orsakad av p r o v n i n g s u t r u s t n i n g e n , d e l s på n a t u r l i g a v i r k e s v a r i a t i o n e r i provmate-r i a l e t . Ugnen gav v i d de t i d i g a provmate-r e föprovmate-rsöken med beklädnadsskivoprovmate-r (Noprovmate-rén och östman, 1985) en god r e p e t e r b a r h e t (± 0,5 min) mellan i d e n t i s k a prov varför en s t o r d e l av s p r i d n i n g e n s a n n o l i k t kan hänföras t i l l v i r k e s v a r i a t i o n e r n a i p r o v m a t e r i a l e t . 100 90 80 /O 60 50 40 30 20 10 O ^ h e l r e n t k v i s t t i d t i l l b r o t t m i n 7.5 10 12.5
Figur 1 1 . R e l a t i v fördelning över t i d t i l l b r o t t för "helrena" prov ( h e l ' dragen kurva) och prov med k v i s t ( s t r e c k a d k u r v a ) .
13 Helrent 0.3 0.24 0. 18 If) c O)
i
0.12 c 0.06 -1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—i—I—I—I I I I r 0.3 0.24 O . 18 ^ 0. 12 0.06 T — I — I — r 7.5 10 12.5 Tid t i l l brott, min15 O L - ^
K v i s t
T — I — I — I — 1 — r — 1 — | — 1 — I \-i —r
7.5 10 12.5 Tid t i l l brott, min
15 0.3 0.24 0. 18 ^ 0.12 0 .06 O I I I — i = = J -'Helrent + k v i s t Samtliga - T — I — I — I — I — I — I — r T — I — I — I — I — r - ] 0.24 (n 0.18 0.3 0.12 0.06 \-7.5 10 12.5 Tid t i l l brott, min
15
s a m t l i g a —| h e l r e n t k v i s t
7.5 10 12.5 Tid t i l l brott, min
15
F i g u r 12. Histogram och f r e k v e n s k u r v o r över t i d t i l l b r o t t för "helrena" prov och prov med k v i s t samt för det t o t a l a p r o v m a t e r i a l e t . TABELL 2. Tid t i l l b r o t t .
Typ av prov A n t a l T i d t i l l b r o t t Medelv. Standardavv. Var.koeff
min min % Helrena Med k v i s t Samtliga 17 20 37 9,70 9,73 9,72 0,94 1,14 1,04 9,6 11,7 10,7
14
R e s u l t a t e n har även sammanställts i f i g u r 13, som v i s a r sambandet mellan t i d t i l l b r o t t och b e l a s t n i n g e n under brandpåverkan. Lutningen hos r e -g r e s s i o n s l i n j e r n a för "helrena" prov och prov med k v i s t är oväntad och osäker på grund av en låg k o r r e l a t i o n s k o e f f i c i e n t . En orsak t i l l l u t n i n g e n kan vara en f e l u p p s k a t t n i n g av r e p l i k e r n a s hållfasthet. Om hållfastheten s k a t t a s för högt b l i r också påförd b e l a s t n i n g v i d brand för hög, v i l k e t medför k o r t a r e t i d t i l l b r o t t . Omvänt medför en lågt s k a t t a d hållfasthet längre t i d t i l l b r o t t .
En e v e n t u e l l s k i l l n a d i bärförmåga v i d brand e l l e r t i d t i l l b r o t t s k u l l e kunna tänkas bero på o l i k a kvistinnehåll såsom o l i k a a n t a l k v i s t a r e l l e r o l i k a s t o r a k v i s t a r . Om t ex k v i s t z o n e n s k u l l e motstå brand bättre s k u l l e prov markerade med c i r k l a r vara förskjutna mot längre t i d . Någon förskjutning kan i n t e i a k t t a s i den ena e l l e r andra r i k t n i n g e n . H e l t n a t u r l i g t v i -sar proven med k v i s t a r lägre hållfasthet men har också b e l a s t a t s därefter.
2.5 1böimoment. kNm 1.5 25 1 brottpåkänning MPa 20 h e l r e n t k v i s t 15 10
t.
t i d t i l l b r o t t , m i n 10 11 12 13 14 15 k v i s t tid t i l l ö r o t t min 10 11 12 13 14 15 Figur 13. Böjmomentet för " h e l r e n a " prov ( k r y s s ) och prov med k v i s t ( c i r k l a r ) mot t i d t i l l b r o t t v i d brand.Figur 14.
Brottpåkänningen för " h e l r e n a " prov ( k r y s s ) och prov med k v i s t ( c i r k -lar) mot t i d t i l l b r o t t v i d brand.
I f i g u r 14 ges t i d t i l l b r o t t som f u n k t i o n av brottspänningen. Brottpåkän-ningen har beräknats på e t t resttvärsnitt där enbart den förkolnade zonen t a g i t s b o r t , se v i d a r e a v s n i t t "Bärförmåga - Termiska e f f e k t e r " . L i k h e t e r n a med f i g u r 13 är s t o r a , varför samma resonemang om l i n j e r n a s l u t n i n g kan fö-ras även här.
15 Brottbeteende
Vid b r o t t under brand s l o g s p r i c k o r som r e g e l i n t e u t l i k a långt som v i d v a n l i g p r o v n i n g . Detta beror d e l v i s på i n f l y t a n d e av den l o k a l a inbränning-en som ger inbränning-en k o r t a r e b r o t t z o n . Dessutom sker inbränning-en uppmjukning av m a t e r i a l e t v i d högre temperatur.
För övrigt är d e t ingen t y d l i g s k i l l n a d i b r o t t e t s karaktär i det normala f a l l e t och i b r a n d f a l l e t .
S k i l l n a d e r i b r a n d f a l l e t mellan b r o t t e n s karaktär i " h e l r e n t " v i r k e (med u t v e c k l a t t r y c k och d r a g b r o t t ) och i v i r k e av lägre k v a l i t e t ( t r y c k b r o t t e j
a l l t i d u t v e c k l a t ) är i n t e påtagliga. Bärförmåga - t e r m i s k a e f f e k t e r
Vid t i d p u n k t e n för b r o t t var förk t e t r e l a t i v t l i t e t , v i l k e t d e l v i s hög, i m e d e l t a l 17,2 p r o c e n t . Den eftersom ugnens termiska påverkan k e t s början. F i g u r 13 v i s a r det b provkropp, övergångszonen mellan ca 5-10 mm. Förkolningen i tvärsn och s i d o r , ungefär 2-5 mm. överka 1-3 mm. Den termiska e f f e k t e n avs v a r i a t i o n och dess inverkan på ma
o l n i n g s d j u p e t i det brandpåverkade avsnit-beror på a t t provkropparnas f u k t k v o t var k o r t a p r o v n i n g s t i d e n i n v e r k a r också på provkroppen är l i t e n v i d brandförsö-randpåverkade a v s n i t t e t av en b e l a s t a d påverkat och opåverkat tvärsnitt är k o r t , i t t e t är störst på provkroppens underkant nten är däremot l i t e förkolnad, endast er förutom temperaturen även f u k t k v o t e n s t e r i a l e t v i d höga t e m p e r a t u r e r . r\y 450 mm
VI
1-3 mm 2-5 mm 2-5 5-10 M konstant inbpSnningsdjup 5-10 mm F i g u r 15. Förkolningsdjupets v a r i a t i o n i d e t brandpåverkade a v s n i t t e t16
I f i g u r 16 ges d e t resterande tvärsnittet som f u n k t i o n av t i d t i l l b r o t t för " h e l r e n a " prov ( k r y s s ) r e s p e k t i v e prov med k v i s t ( c i r k l a r ) . Som r e s t e -rande tvärsnitt d e f i n i e r a s d e t i n r e tvärsnittsområde som begränsas av den skarpa gränsen mellan k o l s k i k t e t och det oförbrända träet. Det innehåller således även den svårbestämda övergångszonen närmast k o l s k i k t e t . Förkol-ningen uppmättes på k v i s t f r i a tvärsnitt så nära b r o t t z o n e n som möjligt. I själva b r o t t s n i t t e t var det omöjligt a t t bestämma resttvärsnittet. Det res-terande tvärsnittet som redovisas är således endast e t t referensvärde. Detta betraktelsesätt motsvarar det som är v a n l i g t v i d bestämning av bär-förmåga hos v i r k e med k v i s t a r . Tvärsnittet anses vara f u l l t e f f e k t i v t och endast hållfastheten anses vara reducerad.
100 1 resterande tvärsnittsarea^ X
90
80
70
60
t i d t i l l brott, min
10 11 12 13 14 15
F i g u r 16. Resterande tvärsnitt i procent av u r s p r u n g l i g t tvärsnitt som f u n k t i o n av t i d t i l l b r o t t för " h e l r e n a " prov ( k r y s s ) och för prov med k v i s t ( c i r k l a r ) .
I f i g u r 17 ges e t t exempel på e t e r . Den y t t r e zonen är h e l t fö mellan den förkolade zonen och av en brun zon med en b e t y d l i g t t i l l synes opåverkade tvärsnitt t u r . Fukt- och t e m p e r a t u r p r o f i l s n i t t som v i s a r f u k t e n s och tem förkolningszonen (White och Sch förbara eftersom försöken genom e n s i d i g brandpåverkan.
17 t t tvärsnitt u t s a t t för brand i ca 10 minu-r k o l n a d och saknaminu-r hållfasthet. Öveminu-rgången det t i l l synes opåverkade tvärsnittet utgörs
reducerad hållfasthet och s t y v h e t . I det et v a r i e r a r f u k t k v o t e n med s t i g a n d e tempera-er f i n n s uppställda för brandpåvtempera-erkat tvär-peraturens v a r i a t i o n på o l i k a avstånd från a f f e r , 1981). Dessa är dock i n t e d i r e k t
jäm-fördes på grövre tvärsnitt och med enbart
Det t i l l synes opåverkade tvärsnittet ger med påförd b e l a s t n i n g en b e t y d -l i g t -lägre brottpåkänning än v i d norma-l temperatur, v i -l k e t t y d e r på a t t v i r k e t s hållfasthet har r e d u c e r a t s v i d s t i g a n d e temperatur och ändrad f u k t -k v o t , se t a b e l l 3« E t t f i -k t i v t tvärsnitt, där brottpå-känningen förutsätts oförändrad under brand, reduceras t i l l dess a t t påförd b e l a s t n i n g gav samma brottpåkänning som v i d normal temperatur, se f i g u r 17.
De termiska e f f e k t e r n a på det t i l l synes opåverkade tvärsnittet är således s t o r a . En förklaring t i l l d e t t a är det smala tvärsnittet i kombination med f y r s i d i g brandpåverkan som l e d e r t i l l en snabb uppvärmning.
7"
förkolad zon. 3 mm
b r u n zon. 3 mm
tvärsnitt u t a n färgförändring
f i k t i v t tvärsnitt u t a n
häll f a s t h e t s förändring
F i g u r 17. Exempel på e t t tvärsnitt e f t e r ungefär 10 m i n u t e r s brandpå-verkan .
TABELL 3. Brottpåkänning
Tvärsnitt Typ av A n t a l B r o t t p å k ä n n i n g
prov Medelv. Stan- Var.-
Karakte-dardavv. k o e f f . r i s t i s k
MPa MPa % MPa
Före brand- "Helrena" 17 47,2 5,2 11,0 37,0
påverkan Med k v i s t 20 34,7 6,4 18,4 22,4
Resttvärsnitt "Helrena" 17 19,6 2,2 11,2 15,3
i n k l . brun zon Med k v i s t 20 14,9 2,3 15,4 10,5
T i l l synes "Helrena" 17 25,9 3,0 11,6 20,0
18
Pigur 18 v i s a r f r e k v e n s k u r v o r anpassade t i l l normalfördelningen över böj-brottpåkänningen v i d normal temperatur och v i d brand för prov med k v i s t ( s t r e c k a d kurva) r e s p e k t i v e "helrena" prov (heldragen k u r v a ) . Brottpåkänningen v i d brand, som baserats på e t t tvärsnitt dar enbart k o l s k i k t e t t a -g i t s bortbär ca 43 procent av medelbrottpåkännin-gen v i d normal temperatur för prov med k v i s t och 42 procent för helrena prov. Beräknas brottpåkän-ningen v i d brand på det t i l l synes opåverkade tvärsnittet, d v s utan den bruna zonen innanför k o l s k i k t e t , b l i r motsvarande förhållande 57 r e s p e k t i v e 55 p r o c e n t , se t a b e l l 4. Detta t y d e r på a t t r e d u k t i o n e n i bärförmågan p g a de termiska e f f e k t e r n a är i s t o r t s e t t densamma för båda v i r k e s k v a l i t e -terna .
I t a b e l l 4 anges även resterande k a r a k t e r i s t i s k bärförmåga som har en t e n -dens a t t vara större fö*r prov med k v i s t än för " h e l r e n a " prov. Dessa värden är dock något osäkra p g a e t t l i t e t s t a t i s t i s k t u n d e r l a g .
Oförkolnat tvärsnitt i n k l . b r u n zon
m O) O . 1 8 O . I S ^ O . 0 9 0) C U-O . 0 6 1 - T 1 -T 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A brand —- kvist helrent 1. . J 1
il :
— 1 1 : : :-j 1
1M / y \ ^
-1 / i y.i.m - ^ < v _ N > \ ^ i — 1 > w i — 1 — 1 —\ y i \
V ;
2o 40 eo Brottpäkanning MPa — \ ^ 0 . 0 9 Tvärsnitt u t a n färgförändring I ' ' ' I ' ' —- kvist helrent Ä A / - W 1 . 1 1 1 . 1 / , . ,1 > ' 1\^
\" normal temperatur • 1;/^; : / \ '-. so AO so Brottpäkänning MPaFigur 18. Frekvensen över brottpåkänningen v i d brand och v i d normal tempe-r a t u tempe-r fötempe-r ptempe-rov med k v i s t ( s t tempe-r e c k a d e k u tempe-r v o tempe-r ) och heltempe-rena ptempe-rov (heldragna k u r v o r ) . I f i g u r e n s vänstra d e l har brottpåkänningen v i d brand beräknats på e t t tvärsnitt innanför den förkolnade zo-nen. I f i g u r e n s högra d e l har förutom den förkolade zonen även den i n t i l l i g g a n d e bruna zonen räknats b o r t ifrån tvärsnittet. TABELL 4. Resterande bärförmåga.
Tvärsnitt Typ av prov A n t a l Resterande bärförmåga, %
M e d e l b r o t t - K a r a k t e r i s t i s k
påkänning brottpåkänning
Resttvärsnitt "Helrena" 17 42 41
i n k l . brun zon Med k v i s t 20 43 47
T i l l synes "Helrena" 17 55 54
19
SLUTSATSER
Några s k i l l n a d e r i t i d t i l l b r o t t fÖr k o n s t r u k t i o n s v i r k e med o l i k a k v a l i -t e -t , där l a s -t e n anpassa-ts e f -t e r i n d i v i d e n s bärförmåga, har i n -t e kunna-t på-v i s a s . Reduktionen i brottpåkänning p g a de termiska e f f e k t e r n a är i s t o r t s e t t densamma för de båda v i r k e s k v a l i t e t e r som p r o v a t s .
Det är h e l l e r ingen s k i l l n a d i b r o t t e t s utseende i det normala f a l l e t och i b r a n d f a l l e t . Den l o k a l a inbränningen ger dock en k o r t a r e b r o t t z o n .
Förkolningen är t o t a l t s e t t långsam p g a r e l a t i v t k o r t a t i d e r t i l l b r o t t och hög i n i t i a l f u k t k v o t .
En tendens t i l l långsammare förkolning i området närmast k v i s t i a k t t o g s . Eftersom prov med k v i s t i n t e uppvisade några bättre egenskaper v i d brand än " h e l r e n a " prov uppvägs den långsammare förkolningen t r o l i g e n av större l o -k a l hållfasthetsredu-ktion i -kvistområdet.
De termiska e f f e k t e r n a är r e l a t i v t s t o r a eftersom e t t smalt tvärsnitt u t -s a t t -s för f y r -s i d i g brandpåverkan. Det leder t i l l en k r a f t i g t reducerad hållfasthet i det resterande tvärsnittet, men r e d u k t i o n e n t y c k s i n t e ha nå-got samband med v i r k e s k v a l i t e t e n .
I s o l e r a d e provkroppar och inbränning från färre s i d o r s k u l l e s a n n o l i k t r e ducera de termiska e f f e k t e r n a . Men för a t t studera inverkan av v i r k e s k v a l i -t e -t e n är f y r s i d i g inbränning -t r o l i g e n mes-t k r i -t i s k .
Två omständigheter gör dock a t t man måste vara försiktig med a t t g e n e r a l i -sera r e s u l t a t e n utanför experimentets ramar. Den första är a t t bedömningen av de brandprovade balkarnas i n i t i a l s t y r k a kan avvika något från den v e r k -l i g a , t r o t s parmatchningen och k o r r i g e r i n g e n e f t e r böjstyvhet. Det kan göra det svårare a t t upptäcka e t t e v e n t u e l l t i n f l y t a n d e av v i r k e s k v a l i t e t e n v i d ett begränsat a n t a l provkroppar. Den andra är a t t undersökningen är begrän-sad t i l l en belastningsnivå 0,33, d v s e t t i sammanhanget ganska högt för-hållande mellan påförd l a s t och b r o t t l a s t . Det vore önskvärt a t t vidga un-dersökningen t i l l åtminstone en lägre nivå ( t ex 0,2) och därmed komma upp i något längre t i d e r t i l l b r o t t , v a r v i d förklolningen s k u l l e gå djupare och där de termiska e f f e k t e r n a kan ha större b e t y d e l s e .
TACKORD
E t t tack framförs t i l l Bo Källsner, Jörgen König och B i r g i t östman, Trätek, som b i d r a g i t v i d p l a n e r i n g och utvärdering av försöken och lämnat synpunk-t e r v i d sammanssynpunk-tällandesynpunk-t av r a p p o r synpunk-t e n . E synpunk-t synpunk-t synpunk-tack r i k synpunk-t a s också synpunk-t i l l Nyby Såg, som b i d r a g i t med p r o v m a t e r i a l .
20
REFERENSER B o u t e l j e , 3-:
On t h e anatomical s t r u c t u r e , moisture c o n t e n t , d e n s i t y , shrinkage and r e s i n content o f wood i n and around knots i n Swedish pine (Pinus s y l -v e s t r i s ) and i n Swedish spruce (Picea abies k a r s t ) .
Svensk P a p p e r s t i d n i n g 69(1):1-10, 1966. Brundin, J . :
Maskinhållfasthetssortering - Sambandet mellan hållfasthet v i d böjning på högkant och böjstyvhet för svenskt f u r u och g r a n v i r k e . P r i n c i p e r för maskinprogrammering.
STFI-meddelande s e r i e A n r 543, 1981. Gerhards, C.C:
E f f e c t o f moisture content and temperature on t h e mechanical p r o p e r t i e s of wood; An a n a l y s i s o f immediate e f f e c t s .
Wood and F i b e r . 14(1):4-36, 1981. Hägglund, G. och Lindgren, 0.:
Mätning av d e n s i t e t - och f u k t v a r i a t i o n e r i trämaterial med hjälp av da-t o r da-t o m o g r a f i . Försda-tudie.
TräteknikRapport n r 67/1 8706040, 1987. Norén, B.:
Result o f p a i r - m a t c h i n g o f wood. I n t e r n a t i o n a l workshop on d u r a t i o n o f load. Vancouver B.C. Sept. 1985 ( C o n t r a c t - r e p o r t No. 4 ) .
Norén, 3. och östman, B.A-L.:
S k i v m a t e r i a l s b i d r a g t i l l brandmotståndet. TräteknikRapport n r 79, 1985.
S c h a f f e r , E.L.:
Charring r a t e o f s e l e c t e d woods t r a n s v e r s e t o g r a i n . USDA For. Serv. Res. Pap. FPL 69, 1967.
White, R. and S c h a f f e r , E.:
T r a n s i e n t moisture g r a d i e n t i n f i r e - e x p o s e d wood s l a b . Wood and F i b e r 1 3 ( 1 ) , 1981.
östman, B.A-L.:
Wood t e n s i l e s t r e n g t h a t temperatures and moisture contents s i m u l a t i n g f i r e .
21 SUMMARY
The e f f e c t of grade on the r e s i s t a n c e t o load o f s t r u c t u r a l timber i n f i r e has been i n v e s t i g a t e d by t e s t i n g . Beams, loaded t o constant moment, were exposed t o f i r e and the time t o f a i l u r e was recorded. The t e s t m a t e r i a l was spruce of d i f f e r e n t grades, from near clean m a t e r i a l t o o r d i n a r y grades f o r b u i l d i n g purpose. The t e s t s were performed i n a small furnace.
In order t o reduce the number of t e s t s , a method of matching was a p p l i e d , by which p a i r s of specimens were cut from l o g s , s y m m e t r i c a l l y t o the p i t h , l e a v i n g d u p l i c a t e s w i t h respect t o wood m a t e r i a l , i n c l u d i n g equal k n o t s . One piece was used t o e s t a b l i s h a r e f e r e n c e value o f s t r e n g t h a t normal temperature, the o t h e r f o r the t e s t i n g of r e s i s t a n c e t o load d u r i n g f i r e . The l e v e l of load a p p l i e d a t the f i r e t e s t s was 1/3 o f the s t r e n g t h o f the r e f e r e n c e specimen according t o standard s h o r t - t e r m l o a d i n g .
The p o s s i b l e i n f l u e n c e of the timber grade on the r e s i s t a n c e t o f i r e was judged from the time t o f a i l u r e and from the r e d u c t i o n i n s t r e n g t h due t o thermal e f f e c t s . No s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o f the grade could be e s t a b l i s h e d from the r e s u l t s .
Detta digitala dokument skapades med anslag från
Stiftelsen Nils och Dorthi Troédssons forskningsfond
räteknikCentrum
Box 5609,114 86 STOCKHOLM Besöksadress: Drottning Kristinas väg 67 Telefon: 08-14 53 00
Telex: 14445 tratek s Telefax: 08-11 61 88 Huvudenhet med kansli
JSTITUTET FÖR TRATEKNISK FORSKNING Asenvägen 9, 552 58 JÖNKÖPING Telefon: 036-12 60 41 Telefax: 036-16 87 98 ISSN 0283-4634 931 87 SKELLEFTEÅ Besöksadress: Bockholmsvägen 18 Telefon: 0910-652 00 Telefax: 0910-652 65 Telex: 65031 expolar s
