Byggingenjör 180 hp
Branddimensionering av anslutning i KL-trä
med inslitsad plåt och dymlingar
Byggteknik 15 hp
Halmstad 2020-05-14
i
Sammanfattning
Denna studie beskriver och analyserar de viktigare delarna kring branddimensionering för exponerat korslaminerat trä (utan beklädnad) med avseende på anslutningar med inslitsade plåtar och dymlingar. Det är dock brist på beräkningsmetoder för sådana anslutningar. Med fyra handböcker för limträ, kontra en för KL-trä, utgivna av Svenskt Trä finns det en hel del information om det materialet och dess anslutningar. Studien analyserar de två materialen för att undersöka om det finns möjlighet att nyttja forskning gällande beräkningar i limträ, för att därefter modifiera och applicera dem på KL-trä. Syftet med denna jämförelse vid brand av förband emellan grundas i att bredda kunskaperna inom området för KL-trä och eventuell kunna se intressanta samband. Målet för studien var att genom att identifiera dessa samband och tillföra nya aspekter relevant för KL-trä driva forskningen framåt. I studien gjordes en litteraturundersökning som visade att materialen har liknande egenskaper vid brand gällande brandens inledningsskede, förkolningsprocess, delaminering och de olika brott som kan ske under brand. Skjuvningsbrott i anslutningar med inslitsade plåtar och dymlingar anses vara det brott som bör dimensioneras för vid brand på grund av uppvärmda ståldelar och förkolning av träet. Därför samanställdes en beräkningsmetod för skjuvningsbrott i KL-trä med utgångspunkt i de befintliga beräkningarna för limträ enligt handboken Fire Safety in Timber Buildnigs - Technical Guideline for Europe. De två metoderna jämfördes och resultatet gav snarlika värden, vilket kan indikera på att utgångspunkten i limträ var rimlig men vidare studier krävs i form av undersökningar och eventuella brandtester. Andra typer av dolda anslutningar, t.ex sådana med självborrande skruvar, bör analyseras på liknande vis för att fastställa dess brandmotstånd.
iii
Abstract
This study explains important parts of fire resistance modelling for exposed cross-laminated timber with regard to connections with slotted in steel plates and dowels. However, there is a lack of calculation methods for such connections. The study analyzes the possibility to use calculations in glulam and modify them to CLT. The purpose of this is to broaden the knowledge of CLT and investigate similarity to glulam. The aim of the study was to identify these similarities and add new aspects relevant to CLT with the intention of guiding the research forward. A literature survey was conducted that showed that the materials have similar properties in fire, regarding the fire's initial stage, charring, delamination and the various failures that can occur in event of fire. Shear failure in joints with slotted in steel plates and dowels are considered to be decisive due to heated steel parts and charring of the wood. Therefore a calculation method for shear failure in CLT was composed based on the existing calculations for glulam. The two methods were then compared and the results gave similar values, which may indicate that the comparison to glulam was reasonable, but further studies are required.
v
Förord
Vi vill rikta ett stort tack till Annika Johansson på Sweco Structures som bistått med intressanta diskussioner och vägledning. Vi vill även rikta vår tacksamhet till Birgit Östman, forskare i trä och brandsäkerhet på Linnéuniversitetet i Växjö som har bidragit med litteratur och svarat på frågor. Vår handledare Margaretha Borgström, universitetslektor i byggfysik på Högskolan i Halmstad, ska också ha ett tack för god vägledning genom arbetets gång.
Felix Göransson & Sofie Bengtsson Halmstad, Juni 2020.
1
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 3 1.1 Bakgrund ... 3 1.2 Problembeskrivning ... 3 1.3 Syfte ... 4 1.4 Mål ... 4 1.5 Avgränsningar ... 5 1.6 Metod ... 5 1.6.1 Insamling av data ... 5 1.7 Beteckningar ... 7 2 Brand i byggnader ... 92.1 Standard- och Parametriskt brandförlopp ... 9
2.2 Brandtekniska krav för byggnader ... 10
2.2.1 Brandtekniska funktioner ... 10
2.2.2 Ytskiktskrav ... 10
2.2.3 Åtgärder vid brand ... 11
3 KL-trä och brand ... 12
3.1 Allmänt om KL-trä ... 12
3.1.1 Egenskaper vid brand ... 12
3.2 Brandförlopp i KL-trä ... 13
3.2.1 Delaminering ... 14
3.2.2 Självsläckning ... 14
4 Limträ och brand ... 16
4.1 Allmänt om limträ ... 16
4.1.1 Egenskaper vid brand ... 16
4.2 Brandförlopp i limträ ... 16
5 Beräkning av brandmotstånd ... 17
5.1 Allmänt ... 17
5.2 Metod för reducerat tvärsnitt enligt Eurokod ... 17
5.3 Brandmotstånd i KL-trä ... 18
5.3.1 Förkolningsdjup och Förkolningshastighet ... 18
5.3.2 Icke lastupptagande lager ... 20
5.4 Brandmotstånd i limträ ... 21
5.4.1 Förkolningsdjup och Förkolningshastighet ... 21
5.4.2 Icke lastupptagande lager ... 22
2
6.1 Anslutningarnas inverkan på brandmotståndet ... 23
6.2 KL-trä anslutning ... 23
6.2.1 Brottmetoder för en anslutning med inslitsad plåt och dymlingar ... 25
6.2.2 Avstånd mellan dymlingar ... 25
6.3 Limträanslutning ... 25
6.3.1 Avstånd mellan dymlingar ... 27
6.4 Likheter mellan anslutningar ... 28
7 Tillgängliga metoder för beräkning av skjuvhållfasthet ... 29
7.1 Skjuvhållfasthet i Limträanslutning ... 29 7.2 Skjuvhållfasthet i KL-trä anslutning ... 30 8 Genomförande ... 32 8.1 Tillvägagångssätt ... 32 8.1.1 Faktorer för trä ... 32 8.1.2 Faktorer för ståldelar ... 33
8.1.3 Faktorer gällande brand ... 33
9 Beräkning av brandmotstånd i KL-trä anslutning med inslitsad plåt och dymlingar ... 35
9.1 Brandmotstånd av KL-skivor ... 35
9.2 Presentation av ny beräkningsmetod ... 35
9.2.1 Applicering av ny beräkningsmetod ... 36
10 Analys ... 37
11 Diskussion ... 38
11.1 Studien i förhållande till nuläget ... 39
12 Slutsats ... 40
12.1 Vidare studier ... 40
13 Referenser ... 41
Bilagor
Bilaga 1 – Beräkning av effektivt tvärsnitt Bilaga 2 – Applicering av ny beräkningsmetod Bilaga 3 – Jämförelse av metod för limträ
3
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Regeringen i Sverige vill se ett ökat byggande i trä och beskriver det som en viktig del i processen mot hållbart byggande och minskad klimatpåverkan (Regeringskansliet, 2018). Det var under 1900 talet förbjudet att bygga träkonstruktioner högre än 2 våningar, men den lagen upphävdes 1994 och därefter har forskningen och utvecklingen drivits på i hög hastighet. I det globala samhället har trä återtagit sin plats på marknaden och kan utmana andra konstruktionsmaterial även i högre byggnader, mycket på grund av innovationer som korslaminerat trä (KL-trä) (Ringhofer et al., 2018).
KL-trä utgörs av massiva träskivor som limmas korsvis på varandra och på så sätt bildar en massiv träskiva. Utformningen ger ökad formstabilitet och bärförmågan är hög jämfört med dess egenvikt. Prefabriceringsgraden är hög och i nuläget används materialet mest som planelement i väggar och bjälklag men kommer i framtiden kunna användas i större utsträckning. (Svenskt trä, 2017). Implementeringen av KL-trä går framåt, men en aspekt som behöver studeras djupare är brandprestandan hos de separata byggnadselementen då det finns ett tomrum gällande hur konstruktionslösningar bör utföras för att möta de brandkrav som ställs. Dessutom används KL-trä främst i högre byggnader där brandkraven är höga och därmed mer komplicerade att uppnå. (Wiesner et al., 2017).
Branddimensioneringen är en stor del av projekteringen och det krävs därför stor kunskap om hur konstruktionsdelarnas prestanda förändras vid brand. Det blir dessutom allt vanligare att arkitekter vill låta trästommen vara en del av estetiken och inte byggas in bakom t.ex. gips, vilket kräver uppdaterade metoder och bestämmelser (Zelinka, et al., 2018).
Vidare kräver anslutningarna mellan byggnadens konstruktionsdelar mest uppmärksamhet, då anslutningarnas uppbyggnad är direkt avgörande för hela byggnadens bärförmåga. (Maraevas et al. 2015). Vad som händer med anslutningarna och hur bärförmågan förändras när de blir exponerade för brand är frågor av största vikt och för att underlätta branddimensionering i KL-trä konstruktioner bör därför ett tomrum fyllas med relevant kunskap och framtida utredningar.
1.2 Problembeskrivning
Anslutningarna i en byggnad ska säkerställa nödvändig bärförmåga vid brand och således är det ytterst viktigt att byggnadens brandmotståndskrav upprätthålls där. Den vanligaste utformningen av anslutningar i KL-trä är med utanpåliggande stålplåtar (Falk, et al.,, 2016) och brandskydd i form av t.ex. gips. När KL-trä skivorna istället ska ingå i estetiken och bevaras synliga utan brandskyddsmaterial kan anslutningarna utföras dolda med t.ex. inslitsade plåtar och dymlingar (Mohammad, et al., 2013). Då stål har hög värmeledningsförmåga kan temperaturökningen och därmed förkolningshastigheten in till träets mitt öka på grund av de inslitsade ståldelarna. Denna aspekt i samband med att det ställs höga brand- och ytskiktskrav, samt att det finns risk att kolskiktet, som annars skyddar träet, ramlar av (delaminering) och orsakar en övertändning, komplicerar branddimensioneringen (Zelinka, et al., 2018).
4 Ännu täcker inte Eurokod KL-trä och en uppdatering väntas inte förrän tidigast 2021. En forskninggrupp inom trä och brand har tagit fram en handbok (Östman, et al., 2010) som till viss del ska bli underlag för uppdateringen, men eftersom utvecklingen hela tiden går framåt finns det fler aspekter att tillägga. Handboken presenterar inga beräkningsmetoder för anslutningar i KL-trä utan endast för det inte helt olikt uppbyggda materialet limträ. Svenskt Trä har publicerat fyra handböcker för limträ, men för KL-trä finns i nuläget bara en. De båda materialen är uppbyggda med limmade skikt och kan bära betydligt större laster än traditionellt konstruktionsvirke. De främsta skillnaderna är riktningen på skikten (parallellt i limträ och korsvis i KL-trä) och utformningen av konstruktionselementen (pelare och balkar i limträ och skivor i KL-trä). Likheterna skulle kunna betyda att beräkningsmetoder för KL-trä kan göras i linje med de befintliga för limträ.
Utan tydliga riktlinjer är ett alternativ att brandtester utförs, för att få resultat som baseras på hög validitet och reliabilitet. Det är dock tidskrävande, dyrt och kräver stor kunskap inom ämnet och generella metoder skulle underlätta för branddimensionering av KL-träkonstruktioner. Nya studier använder numeriska modeller i 3D som är uppbyggda med hjälp av tidigare experiment för att förutspå brandförloppet i KL-trä. En sådan metod är kostnadseffektiv, men även en sådan metod saknar helheten då mekanismen för delaminering av det förkolnade skiktet varken räknas med eller tas hänsyn till. (Wang, et al., 2020).
1.3 Syfte
Syftet med studien var att med utgångspunkt i beräkningsmetod för brandimensionering av anslutningar i limträ enligt Fire Safety in Timber Buildings – Technical guideline for Europe (Östman, et al., 2010) utreda vilka faktorer som kan och borde förändras för att sedan kunna anpassa dem till motsvarande anslutning i KL-trä. Resultatet presenteras i form av beräkningar och jämförelse mellan limträmetoden och den nya KL-trämetoden för en anslutning med inslitsad plåt och dymlingar.
1.4 Mål
Målet med arbetet var att driva forskningen gällande branddimensionering av anslutningsdetaljer i KL-trä framåt. Dessutom identifiera möjliga samband mellan limträ och KL-trä för att undersöka om det är möjligt att nyttja tidigare forskning gällande limträ och applicera den på KL-trä. Följande frågeställningar ställdes upp:
- I vilken utsträckning påverkar inslitsade ståldelar i KL-trä brandmotståndet?
- Vad säger forskningen om avsvalningsfasen i KL-trä? Tas det i beaktning? Borde det ingå i beräkningar?
- Hur påverkar delaminering brandmotståndet och hur undviks det på bästa sätt?
- Är det rimligt att anta att likheter mellan limträ och KL-trä gör det möjligt att implementera den nya metoden?
5
1.5 Avgränsningar
Studien avgränsades till en anslutning utförd med inslitsad plåt (T-profil) och dymlingar. Anslutningen anses oskyddad, med träet direkt exponerat för brand. Analysering och applicering av beräkningsmetod avgränsades till skjuvning i anslutningen och fuktens inverkan togs ej i beaktning. Beräkningarna bygger på en anslutning i en byggnad med byggnadsklass Br1 och ett brandkrav på 60 minuter (R60).
1.6 Metod
Metoden är kvantitativ då studien bygger på empiriska data och numeriska resultat. De delar ur studien som är svåra att mäta undersöks och beskrivs istället, för att redogöra för relevanta teorier. Fördelen med kvantitativ metod är att man vid analysering av den data som undersöks finner den enklare att förstå på grund av att resultaten är numeriska.
Ämnet för studien involverar flera forskare inom brand och träteknik som strävar efter mer och fördjupad kunskap inom området. Denna studie tar därför upp ett aktuellt problem inom forskningsfronten för KL-trä och belyser även olikheter samt likheter mellan limträ och KL-trä som kan vara av intresse för framtida byggnationer. Mycket forskning för separata delar finns att tillgå och därför görs i studiens första del en litteraturundersökning för att hitta relevanta studier framtagna av tillförlitliga personer som är verksamma inom området. Samtidigt analyseras material och beräkningsmetoder för anslutningar i limträ enligt dels Limträhandböckerna av Svenskt trä och dels den Europeiska handboken(Östman, et al., 2010). Detta görs för att fastställa vilka faktorer som bör förändras för att kunna anpassa dem till KL-trä. I studiens andra del påbörjas implementeringen av litteraturundersökningen i den befintliga beräkningsmetoden för anslutning i limträ där även nya aspekter tillförs, som forskare anser har saknats tidigare. Det är på grund av komplexiteten kring ämnet svårt att nå ett resultat som kan användas i praktiken utan att utföra brandtester. Det är dock inte syftet med studien utan som nämnt ovan att driva forskningen framåt genom att bidra med nya infallsvinklar.
Till studien används beräkningsprogrammet Mathematica för att enklare analysera limträmetoden och den nya beräkningsmetoden för att sedan jämföra deras resultat. Ritningsprogrammet Autocad används för att skapa förklarande bilder som underlättar förståelsen av anslutningsdetaljer.
1.6.1 Insamling av data
Via databaser som Compendex görs detaljerade sökningar för att undersöka vilka forskare som är aktuella och sedan samla in det material de skapat för att sortera den och därmed få en övergripande bild av forskningsläget inom ämnet. Vetenskapliga artiklar som är granskade och på så sätt trovärdiga väljs i största mån. När övergripande kunskap nåtts kan sökningen fortsätta och gå djupare in på detaljer nödvändiga för studien. Författarna har även stöd av personer verksamma inom ämnet som under studien bistått med viktiga perspektiv.
Hanboken Fire Safety in timber buildings (Östman, et al., 2010) är skapad för att bistå med den främsta vetenskapliga kunskapen inom brand i träbyggnader och innehåller en utökning av Europeiska standarder och regler. Innehållet kommer så småningom ingå i ett nytt träkapitel i nästa uppdatering av Eurokod 5. Utöver den Europeiska handboken tillkommer även handboken Brandsäkra Trähus
6
version 3 (Östman, 2012), som anpassar innehållet från den Europeiska handboken till de Nordiska
samt Baltiska länderna. Eftersom handböckerna är publicerade 2010 respektive 2012 görs antagandet att nya forskningsteorier tillkommit. Därför vänder sig denna studie även till forskningspublikationer från senare år. Utöver enskilda artiklar används KL-trähandboken som är utgiven av Svenskt Trä och även limträhandböckerna med samma utgivare (2016a, 2016b, 2017).
7
1.7 Beteckningar
ai minimumavstånd för fästdon
d diameter
d0 icke lastupptagande skikt
dchar,0 endimensionellt förkolningsdjup
dchar,n ekvivalent förkolningsdjup
def effektivt förkolningsdjup
fh,k karakteristisk bäddhållfasthet för trä
fu,k karakteristisk draghållfasthet för fästdon
h tjocklek på KL-skiva/höjd på limträtvärsnitt hef effektivt tvärsnitt
k parameter
k0 omräkningsfaktor
kco omräkningsfaktor
kcr omräkningsfaktor
kflux koefficient för ökad värmetransport p.g.a. fästdon
kg omräkningsfaktor
kj omräkningsfaktor
kn omräkningsfaktor
kpr omräkningsfaktor
ks omräkningsfaktor
s0 icke lastupptagande skikt (KL-trä)
t tid för brandexponering
t1 avstånd fram till plåt (från träyta)
8 Fd,t,fi dimensionerande bärförmåga hos fästdon vid skjuvning under standardbrand
Fv,Rk karakteristisk bärförmåga hos fästdon vid skjuvning under normala temperaturer
My,Rk karakteristiskt flytmoment hos fästdon
bn ekvivalent förkolningshastighet
b0 endimensionell förkolningshastighet
h reduceringsfaktor
rk karakteristisk densitet för trä
9
2 Brand i byggnader
2.1 Standard- och Parametriskt brandförlopp
Brand i träbyggnader ser olika ut beroende på mängd och placering av brännbart material, rummets geometri och storlek samt ventilationsförhållanden (Östman, et al., 2010). Brandens olika faser visas i figur 2.1. I initialskedet ställs det krav på ytskiktskikt och vid en fullt utvecklad brand ställs det krav på själva stommen (Svenskt Trä, 2017). Om bränder i initialskedet tillåts växa utan ingripande av brandbekämpningsåtgärder riskerar kraftig och snabb temperaturökning att orsaka övertändning, vilket i sin tur leder till att allt oskyddat brännbart material brinner (Östman, et al., 2010).
En fullt utvecklad brand kommer fortsätta utvecklas så länge det finns bränsle, vilket ökar risken för att en oskyddad konstruktion förlorar sin bärförmåga och till slut kollapsar. Å andra sidan är en möjlighet att konstruktionen självsläcks. Självsläckning beskrivs vidare under 3.2.2.
Vanligtvis görs branddimensionering utifrån en standardbrandkurva som följer ett förenklat samband mellan tid och temperatur (Svenskt Trä, 2017). För att kunna ta hänsyn till hela brandförloppet, från initialskede till och med avsvalningsfasen, måste dock en parametrisk brandkurva istället användas. Den parametriska brandkurvan representerar det naturliga förloppet och beskrivs som förhållandet mellan gastemperaturen och tiden som en funktion av brandlast, ventilation (öppningar i konstruktionsdelar) och termiska egenskaper hos omslutande väggar och tak, (se bilaga A och E i EN 1995-1-2). Dimensionering utifrån ett parametriskt brandförlopp är komplext och av detta skäl framför Crielaard och hans kollegor i sin rapport en önskan om att de informativa anvisningarna om parametrisk brand i Eurokod ska utökas (2019).
10
2.2 Brandtekniska krav för byggnader
Vilket brandskydd som en byggnaden anses behöva avgörs av dess byggnads- och verksamhetsklass. Indelningen i byggnadsklasser sker med avseende på byggnadens skyddsbehov där bedömningen av skyddsbehov kontrolleras av troliga brandförlopp, konsekvenser av brand och byggnadens komplexitet. Rangordningen för byggnadsklasser är 0–3 där 0 är största skyddsbehov. Byggnadsklassen för denna studie är BR1 vilket står för byggnader med stort skyddsbehov (Boverket, 2020).
Utöver byggnadsklasser delas byggnader in i verksamhetsklasser beroende på vilken/vilka verksamheter är avsedd för. Indelningen beror på följande punkter:
• Om personer kan förväntas ha kännedom om byggnaden • Om personer kan förväntas vara vakna
• Om personer kan förväntas utrymma på egen hand • Om det finns stor risk för brand
Det är inte ovanligt att en byggnad har fler olika verksamhetsklasser, men en byggnad kan endast tillhöra en byggnadsklass. Det finns ett antal gråzoner då det kan vara svårbedömt att klassificera vilken verksamhetsklass som byggnaden tillhör. I dessa fall görs bedömningar utifrån de ovanstående fyra punkterna. Det finns sex stycken olika verksamhetsklasser. Den verksamhetsklass som är vald för denna studie är verksamhetsklass 3 som innefattar bostäder. Personer som bor i bostäder som går under denna klass antas ha en god lokalkännedom och antas kunna ta sig själv i säkerhet. Dock förutsätt det inte att personerna i fråga alltid förväntas vara vakna. Verksamhetsklass 3 indelas i två kategorier 3A och 3B. 3A som passar för denna studie berör bostadslägenheter vilket kan vara flerbostadshus, småhus, familjedaghem, fritidshus etc. 3B berör gemensamhetsboenden som är tillför hem för vård och boende (HVB), hem för ensamkommande flyktingbarn och motsvarande (Boverket, 2020).
2.2.1 Brandtekniska funktioner
De brandtekniska funktioner som skall uppfyllas för en stomme är: • R som står för Bärförmåga
• E som står för Integritet • I som står för Isolering
Om ett krav på REI60 ställs på en vägg betyder det att alla tre krav ska uppfyllas under 60 minuter standardbrand. Vid dimensionering av en konstruktion denna indelningen för varje separat elementdel ska betraktas individuellt (pelare, balk, bjälklag, vägg) (Svenskt Trä, 2017)
2.2.2 Ytskiktskrav
Brandskyddsbehandlingar av trä kan ske genom impregnering eller med ytbehandling som ger en skyddande hinna på träytan. Behandlingen kan ge träet bättre brandegenskaper vilket i sin tur resulterar i att synligt trä kan användas i större utsträckning. En eventuell impregnering med
11 brandskyddsmedel av träet förändrar förbränningen av träet. Det som påverkas främst är det tidiga brandförloppet då fördröjning av tiden till antändning, flamspridning, värme- och rökutvecklingen påverkas i en positiv bemärkning. Med impregnering av brandskyddsmedel av träet kan en högre ytskiktsklass uppnås (Pousette, A. & Lazaros, T., 2016).
Det finns även krav på ytskikten i en byggnad där en ytskiktsklass beskriver förmågan att fördröja övertändning och rökutveckling. I tabell 2.1 presenteras Europeiska ytskiksklasser där både oskyddat limträ och oskyddat KL-trä placeras i klass D. Om träet brandskyddas kan det uppnå klass C och B där B är det högsta för brännbart material (Svenskt Trä, 2017).
Tabell 2.1 - Europeiska ytskiktsklasser. Källa: Tabellen är hämtad från Svenskt Träs publikation KL-trähandboken.
2.2.3 Åtgärder vid brand
Sprinklersystem kan användas som en alternativ designlösning för att släcka brand i byggnader och har funnits sedan hundra år tillbaka i tiden och utvecklades av försäkringsbranschen. Sprinklersystem är ofta en del av brandförsiktighetsåtgärderna i en byggnad. Installationen av ett sprinklersystem kan resultera i ett bättre förhandlingsläge gällande försäkringar kring byggnaden, mängden brandredskap en byggnad behöver och kan gynna flexibiliteten i designen och användandet av byggnaden (Östman, et al., 2010).
12
3 KL-trä och brand
3.1 Allmänt om KL-trä
Korslaminerat trä är uppbyggt av plankor som limmas bredvid varann i ett ojämnt antal lager ovanpå varann (vanligast är tre, fem eller sju lager). Resultatet blir vinkelrät fiberriktning mellan skikten till skillnad från limträ där fiberriktningen är parallell för alla skikt. Dessa skivor skapar hög styvhet och hållfasthet vilket utgör god stabilitet i en byggnad. (Svensk Trä, 2017).
Figur 3.1 - Uppbyggnad av KL-trä. Källa: Illustrationen är hämtad från Svenskt Träs publikation KL-trähandboken. Tjockleken på skivan får enligt bestämmelser i Eurokod vara maximalt 500 mm, där tjockleken på vardera skikt kan variera men måste vara mellan 6 och 45 mm. I en treskikts-skiva som i Figur 3.1 får dock det mittre skiktet ha en tjocklek på upp till 60 mm (SS-EN 16351:2015). Skivorna kan ha en längd upp till 30 m och bredd upp till 4,8 m vilket gör det möjligt att använda KL-trä som färdiga väggar och bjälklag (Svenskt Trä, 2017). KL-träelementens bärförmåga utgörs av dess uppbyggnad, då det endast är de yttersta, och vartannat lager efter det, som räknas som bärande i längsgående riktning. De resterande lagren (2,4 osv) tillför bärförmåga genom att ta hand om skjuvkrafter mellan lagerna i längsgående riktning (Östman, et al., 2010). En viktig komponent som utmarker KL-trä är den höga hållfastheten i förhållandet till sin egen vikt.
Värmeledningsförmågan och värmekapaciteten i KL-trä liknar massivt trä och dess isolerande egenskaper är mycket goda och det speciellt vinkelrätt med fibrerna. Ungefärliga värden är 1 300 J/(kg°C) för specifik värmekapacitet och 1,2-0,13 W/(m °C) för värmekonduktivitet (Svenskt Trä, 2017).
3.1.1 Egenskaper vid brand
Vid uppkomst av brand är antändningen av KL-trä trög samtidigt som det brinner relativt långsamt med förkolningshastigheter kring 0,6-1,1 mm/min (Svenskt Trä, 2017). Det kolskikt som till följd av brand bildas har även det goda isolerande egenskaper som är positiva för konstruktionen. Kolskiktet saknar dock hållfasthet och på grund av ökade temperaturers inverkan på de mekaniska- och termiska egenskaperna påverkas även det skyddade träets hållfasthet (Östman et al., 2010)
13 En ökning av konstruktioner med KL-trä som ytskikt, alltså utan brandskyddsbeklädnad som t.ex gips, kräver en hög kunskapsnivå för hur materialet beter sig vid brandsituationer (Zelinka, et al., 2018). Konstruktionen måste garantera ett brandmotstånd som är tillräckligt för att människor ska kunna evakueras och att för att brandmän ska kunna göra ett så säkert ingripande som möjligt. Generellt sätt så tenderar träkonstruktioner avge ett relativt bra beteende i brand. KL-trä har goda brandegenskaper och på grund av att trä är ett material som funnits länge går det att göra en fullgod uppskattningen av hur elementens bärförmåga påverkas av branden (Audebert, et al., 2011).
3.2 Brandförlopp i KL-trä
Följden av arkitekternas önskan att inte klä in träelementen i brandskyddsmaterial blir därför att stora oskyddade vägg-, golv- och takytor blir bränsle för en eventuell brand.
Trä brinner på ytan och den energi som frigörs bidrar till brand- och rökutvecklingen. Tabell 2.1 visar viktiga temperaturer under förkolningsprocessen. Vid ca 170°C påbörjas den termiska nedbrytningen, kallad pyrolys, se tabell 3.1 (Svenskt Trä, 2016b). Brännbara gaser utvecklas samtidigt som det bildas ett förkolnat lager på den brandexponerade ytan vars tjocklek ökar i takt med inbränningen. Förkolningsprocessen visas i figur 3.2. På så vis minskar träelementets bärande dimensioner eftersom förkolningsskiktet helt saknar hållfasthet. Dock har skiktet goda isolerande egenskaper och kan därför skydda det inre opåverkade träet från värme (Klippel, M. & Schmid, J. 2017). Som nämnt i 3.1.1 påverkas dock hållfastheten av ökade temperaturer och i beräkningar av brandmotstånd tas därför ett värmepåverkat område på 35-40 mm bakom förkolningskiktet i beaktning (Östman, 2012).
Tabell 3.1-Termisk nedbrytning. Källa: Illustrationen är hämtad från Svenskt Träs publikation Limträhandboken del 2.
Temperatur (°C) Fenomen
20 Rumstemperatur
100 Vattnet avdunstar
120 Ligninet plasticeras
170 Termisk nedbrytning börjar
Över 170 Nedbrytningsprodukter brinner
300 Förkolningen startar
14 3.2.1 Delaminering
Något som skiljer brand i KL-trä och brand i konstruktionsvirke åt, är limfogarna i KL-trä skivorna. När förkolningsfronten når limfogen riskerar förkolningsskiktet att ramla av, (delaminering uppstår) och bart trä blir exponerat för en fullt utvecklad brand och en övertändning kan ske som förlänger brandförloppet. Med andra ord, om ett KL-träelement delaminerar, kan det ha en betydande inverkan på brandutvecklingen och brandbelastningen (McGregor, 2013).
Det stora problemet med delaminering är att när kolskiktet faller av så förloras skyddet för det inre trät som skall bromsa inbränningen. Det är viktigt att poängtera att branden kan uppnå en nya intensitet vid delaminering då det tidigare opåverkade trät utsätts för extrema temperaturer. En oerhört viktig förutsättning för att ett brandförlopp skall kunna bli någorlunda förutsägbart är att branden självslocknar efter att lös inredning brunnit upp. Detta kan uppnås vid ett säkerställande att KL-träskivorna inte delaminerar (Lineham, et al., 2016).
Antalet skikt har också en betydande roll eftersom de potentiella konsekvenserna anses vara till större skada för fler skikt. Till exempel vid en jämförelse av 3-skikt och 5-skikts KL-träelement så bedöms 5-skiktselementet vara mer sårbart vid delaminering, eftersom det räknas med att dess centrala lamell är viktigt i de avseende för bibehållande av strukturell kapacitet (Lineham, et al., 2016).
För att motverka delaminering kan lim användas om inte försvagas av brand utan gör att KL-skivan kan uppföra sig som en massiv träplatta. En annan lösning har visat sig vara att öka dimensionen på det yttersta skiktet för att förkolningslinjen inte ska nå limmet. (Crielaard, et al., 2019)
3.2.1.1 Lim som motverkar delaminering
Samtidigt som utvecklingen av KL-träkonstruktioner drivs framåt bedrivs även forskning gällande limmets roll i en brand. Ett förbättrat lim vars egenskaper inte försvagas vid brand motverkar att förkolningsskiktet ramlar av och en övertändning kommer inte längre vara ett problem för exponerade KL-träelement. Detta i sig kommer medföra att fler designers och arkitekter väljer att använda sig av exponerat KL-trä och andra limträprodukter (Craft, et al., 2018). Ett lim av denna typ är Melamine Urea Formaldehyde (MUF). MUF kommer ursprungligen från Urea Formaldehyde (UF) där skillnaden är Melamin (M) vilket gör limfogarna mer elastiska. Fler egenskaper som skiljer detta lim från andra limtyper är den höga fuktbeständigheten samt en kortare härdningstid. Det anses också passa utmärkt till just träprodukterna limträ och KL-trä. Limmet skapar en nätverkstruktur med hjälp av Melamin-komponenten som ökar limmets termiska motstånd (Zhou, et al., 2017). Studier påvisar att det är möjligt att med användning av MUF-lim förhindra delaminering och resultatet blir istället att träet brinner som om det skulle varit ett solitt trämaterial. Mer kunskap om dessa typer av lim behövs för att driva utvecklingen framåt (Zelinka, et al., 2018).
3.2.2 Självsläckning
Självsläckning är ett begrepp som ännu inte är väletablerat, men är vad som kan hända under avsvalningsfasen när allt brännbart material är förbrukat och konstruktionen trots det lyckats
15 behålla tillräcklig bärförmåga. I en byggnad med exponerade KL-skivor är detta möjligt på grund utav kolskiktets isolerande egenskaper som gör det möjligt att flammor övergår till glöd som till sist slocknar. Anledningen till kunskapsbristen kan, enligt en studie som handlar om detta, vara att många brandtester stoppas innan avsvalningsfasen börjar där materialet kyls med vatten, t.ex. på grund av att ett önskat brandmotstånd uppnåtts, eller för att skydda lokalen (Crielaard, et al., 2019). Självsläckningen motverkas om delaminering sker, då pyrandet kan leda till full antändning igen. Som nämnt i 2.2.3 installeras inte sällan sprinklersystem för att släcka branden, men i studien av Crielaard m.fl. undersöks självsläckning istället som ett passivt skydd om sprinklersystem inte finns, eller av någon anledning slutat fungera samt om det är omöjligt för räddningstjänsten att ingripa (2018) Tester gjordes och visade att självsläckning är möjligt om värmeväxlingen i KL-trä är lägre än 5–6 kW/m2 och luftflödet på ytan är högt 0,5m/s och detta först när branden övergått
16
4 Limträ och brand
4.1 Allmänt om limträ
Limträ tillhör den äldsta typen av träbaserade konstruktionselement och är, likt KL-trä, uppbyggt av flera (minst två) skikt som limmas ihop med skillnaden att fiberriktningen på samtliga skikt är åt samma håll. Varje skikt är hållfastsorterat och risken är liten att defekter som har negativ inverkan på virket hamnar i samma snitt. Limträ delas in i två grupper, dels kombinerat limträ där de yttersta skikten har högre hållfasthetsklass och homogent limträ där alla skikt är av samma hållfasthetsklass (Svenskt trä, 2016a). På grund av inre spänningar vänds de innersta skikten åt samma håll och de yttersta är alltid vända med kärnan utåt. Motsvarande väggskivor och bjälklagsskivor i KL-trä används limträ främst som pelar-balk system. Vid böjning av en limträbalk är det vanligaste brottet dragbrott i den yttre lamellen och även skjuvbrott anses vanligt (Svenskt trä, 2016b)
4.1.1 Egenskaper vid brand
Stora homogena tvärsnitt ger goda skyddande egenskaper vid brand och medför brandstabilitet i brandförloppets inledningsskede. Vid uppkomst av brand är antändningen av limträ trög samtidigt som det brinner relativt långsamt med en inträningshastighet på 0,5–1,0 mm/min. Uppkomsten av kolskikt vid limträytan medför ett skydd för de inre delarna och hjälper till limträts bärförmåga att upprätthållas under brandförloppet. (Svenskt trä, 2016a)
4.2 Brandförlopp i limträ
Brandförloppet i limträ är likt brandförloppet i KL-trä och följer samma förkolningsprocess som visas i figur 3.2 och likvärdiga temperaturer enligt tabell 3.1.
I limträkonstruktioner är det vanligt att behålla konstruktionen “synlig”, det vill säga att man inte klär in de synliga trädelarna med någon typ av beklädnad eftersom det anses “skydda sig själv” genom kolskiktet. De kritiska delarna vid brandförlopp för limträ utgörs ofta av förband och anslutningsdetaljer med exponerade ståldelar som bidrar till ökat värmeflöde till centrum av limträet. Anslutningar med utanpåliggande beslag bidrar till en tveksamhet vid brand då extra brandskydd kan behövas för att täcka över det synliga ståldelarna/beslagen. Därför anses en dold anslutning bättre ur brandsynpunk. (Svenskt trä, 2016a). De brandsituationer som uppstått i konstruktioner av limträ har visat att sammanstörtningar av limträstommar inte är vanligt i och med att limträts bärförmåga bibehålls under en relativt lång tid under en pågående brand. Likt KL-trä bör ett lim som bibehåller sin hållfasthet (MUF) under brand användas eftersom det ger limKL-träet bättre brandmotstånd och motverkar delaminering.
17
5 Beräkning av brandmotstånd
5.1 Allmänt
I nuläget täcks varken limträ eller KL-trä i Eurokod och en ny uppdatering väntas tidigast 2021. Dock används EN-1995-1-1 och EN-1995-1-2 nästan uteslutande som grund i nya beräkningsmetoder för KL-trä och Limträ, med modifikationer relevanta för respektive material. Eurokoden anger två olika sätt att beräkna brandmotstånd i trä och hänvisar till metod för reducerade egenskaper alternativt metod för reducerat tvärsnitt där den sistnämnda studeras i denna studie.
5.2 Metod för reducerat tvärsnitt enligt Eurokod
I denna metod reduceras det verkliga tvärsnittet med ett effektivt förkolningsdjup för att på så vis beräkna ett effektivt tvärsnitt (det som fortsätter bidra till bärförmågan). I det effektiva förkolningsdjupet inkluderas utöver det förkolnade skiktet ett skikt beläget strax där bakom, d0 (se
figur 5.1). Även om skiktet inte är direkt utsatt för brandexponering sker en ökad temperatur, vilket leder till reducerade egenskaper (som t.ex. reducering av hållfasthet och elasticitetsmodulen). Fortsättningsvis kallas detta skikt för icke lastupptagande lager.
Figur 5.1 - Resttvärsnitt och effektivt tvärsnitt enligt SS-EN 1995-1-2. Källa: Illustrationen är hämtad från Svenskt Träs publikation Limträhandboken del 2.
I Eurokoden beräknas det effektiva förkolningsdjupet def enligt:
!!" = !#$%&,( + $)!) [5.1] med
!#$%&,( = %(& [5.2] där
18
dchar,n är förkolningsdjupet i mm
k0 är omräkningsfaktor enligt ekv 5.3
d0 är icke lastupptagande lager i mm
bn är ekvivalent dimensionerande förkolningshastighet
t är tiden för brandexponering i minuter
Omräkningsfaktorn k0 tar hänsyn till att det icke lastupptagande skiktet under de första 20
minuterna inte är fullt utvecklat för oskyddat trä och beräknas för t < 20 min enligt:
$) = +)* [5.3]
5.3 Brandmotstånd i KL-trä
Vid dimensionering av konstruktioner av KL-trä görs det ursprungligen på elementnivå. Med detta menas att man observerar enskild byggdel för sig, det kan vara pelare, bjälklag, väggar. KL-träskivors uppbyggnad är viktig för bärförmågan speciellt de tvärgående skikten. Generellt så anses KL-träskivor har ett bra brandmotstånd med tanke på att konstruktioner i KL-trä oftast är täta och inbränningen kan mestadels ses som endimensionell.
5.3.1 Förkolningsdjup och Förkolningshastighet
Enligt den nordiska handboken Brandsäkra Trähus (Östman, 2012) bör förkolningsdjupet beräknas med endimensionell förkolningshastighet enligt ekv 5.4 om:
• Ett skikt av KL-trä är utgjort av kantlimmade paneler eller, • Spalten mellan två paneler är mindre än 2 mm
!#$%&,) = %)& [5.4] där
t är tiden för brandexponering
b0 är den endimensionella förkolningshastigheten vinkelrätt fibrerna enligt tabell 3.1 i
EN-1995-1-2
Sker brandexponeringen vinkelrätt fibrerna bör förkolningshastigheten fördubblas. För barrträ (och andra träslag i Europa) föreslås en endimensionell förkolningshastighet på 0,65mm/min. Värdet på förkolningshastigheten b0 bygger på träpaneler med skivtjocklek på 20 mm och en
densitet på 450 kg/m3. För övriga värden på dessa ska b
0 multipliceras med faktorerna kh och kr
19 Ekvivalent förkolningshastighet bör användas enligt ekv 5.5 om:
• Spalten mellan två paneler är större än 2 mm men mindre än 6 mm !#$%&,( = %(& [5.5]
Med
%( = $(%) [5.6]
För KL-trä är faktorn kn=1,2 vilket ger en ekvivalent förkolningshastighet på 0.78 mm/min.
Klippel och Schmid (2017) förespråkar att den nominella förkolningshastigheten används för KL-trä, vars relation till förkolningshastigheten b0 ökar enligt ekvation 5.7. Koefficienterna ki tar hänsyn
till olika parametrar som kan orsaka ökad förkolningshastighet, se tabell 5.1. För de flesta KL-träprodukter kan alla koefficienter förutom kpr och kg normalt sättas till 1.
%( = $,∙ $-&∙ $( ∙ $. ∙ $#&∙ $/∙ $#0∙ %) [5.7]
Förkolningshastigheterna ovan representerar standardbrandfallet. För att kunna ta hänsyn till avsvalningsfasen och möjligheten till självsläckning bör dock hastigheten representera ett parametriskt brandförlopp där bränslebelastning och ventilationsförhållanden beaktas. I en studie med syfte att undersöka möjligheterna till självsläckning av KL-trä gjordes flera brandtester där förkolningshastighet mättes upp. Medelvärdet på förkolningshastigheten som uppmättes i testerna (0,77mm/min) jämfördes med parametriska metoden i Eurokod och resultatet stämde bra överens. Dock inkluderar förkolningshastigheten risken för att ett skikt faller av, vilket syftet är att undvika. Därför kan värdet vara för högt och värdet från Eurokod (b0 = 0,65mm/min) bättre anpassat.
Detta är dock endast spekulationer från författarens sida (Crielaard, et al., 2019). Tabell 5.1 - Koefficienter för ökad förkolningshastighet (Klippel & Schmid, 2017)
Koefficient Beskrivning
ks Tar hänsyn till tjockleken på trädelen, endast aktuell vid förkolning
vinkelrätt mot skivans kanter.
kpr Adresserar beteendet hos skyddade träytor, för vilka olika hastigheter
bör tillämpas under olika faser av brandexponering.
kn Tar hänsyn till kantrundning pga ökad förkolning nära tvärsnittshörn
kg Tar hänsyn till ökad förkolning p.g.a. mellanrum mellan paneler
kcr Tar hänsyn till ökad förkolning p.g.a. sprickor och defekter.
kj Tar hänsyn till fogar i paneler som inte stöds av lister,
konstruktionselement eller paneler och deras påverkan på skyddet och isoleringstiden för dessa lager.
kco Tar hänsyn till ökad förkolning som följd av att metalldelar medför
20 5.3.2 Icke lastupptagande lager
I Eurokod är d0 = 7mm (icke lastupptagande lager) och gäller för vanligt konstruktionsvirke. Enligt
de Europiska riktlinjerna (Östman, et al., 2010) bör det icke lastupptagande skiktet i KL-trä behandlas på annat sätt än konstant enligt EN-1995-1-2. På grund av att endast vartannat skikt i KL-trä är bärande introduceras i den Europeiska handboken (Östman, et al., 2010) faktorn s0
(motsvarighet till d0) som tar hänsyn till den del av det effektiva förkolningsdjupet som ligger i ett
icke bärande skikt. Faktorn s0 beskrivs variera med följande faktorer:
- Antal skikt
- Tjocklek hos KL-trä skivan
- Typ av påkänning på brandexponerad sida (drag/tryck) - Temperaturgradient under kolskiktet (oskyddat/skyddat)
När det effektiva förkolningsdjupet ska beräknas bör därför s0 användas istället för d0 enligt:
!!" = !#$%&+ $)() [5.8] Med k0 enligt ekv. 5.3 ovan.
Dock ska hänsyn tas till två möjliga fall vilka är:
1. Om linjen det resterande tvärsnittet ligger i ett icke bärande lager och s0 därmed bara finns
i det lagret och
2. Om linjen ligger i ett bärande skikt och s0 endast ingår i bärande skikt. Om mer än 3 mm
finns kvar i ett bärande skikt fortsätter den att medverka i böjmotstånd. (Östman, et al., 2010, Klippel & Schmid, 2017)
Tabell 5.2 visar värde för oskyddade väggar och bjälklag med brandexponering mot tryckt sida och tabell 5.3 mot motsvarande mot dragen sida. Dock tenderar väggar att böja ut från branden, vilket gör att den brandexponerade sidan blir tryckt och således saknas värde för drag i tabell 5.3 (Östman, et al., 2010)
Tabell 5.2 - Icke lastupptagande lager s0, tryckt sida
Antal lager Brandexponering på Oskyddade Bjälklag/Golv Oskyddade Väggar 3 Tryckt sida () = ℎ 25+ 4,5 () = ℎ 12,5+ 3,95 5 Tryckt sida () = ℎ 20+ 11 () = ℎ 15+ 10,5 7 Tryckt sida 2ö4 10566 ≤ ℎ ≤ 17566 () = ℎ 6+ 2,5 2ö4 ℎ > 17566 () = 13 2ö4 10566 ≤ ℎ ≤ 17566 () = ℎ 6+ 4 2ö4 ℎ > 17566 () = 18
21 Tabell 5.3 - Icke lastupptagande lager s0, dragen sida
Antal lager Brandexponering på Oskyddade
Bjälklag/Golv Oskyddade Väggar
3 Dragen sida () = ℎ 30+ 3,7 Ej relevant. 5 Dragen sida () = ℎ 100+ 10 Ej relevant 7 Dragen sida 2ö4 10566 ≤ ℎ ≤ 17566 () =ℎ 6+ 2,5 2ö4 ℎ > 17566 () = 10 Ej relevant 5.4 Brandmotstånd i limträ
Limträbalkar som exponeras för brand dimensioneras utifrån två steg. Precis som för KL-trä beräknas det effektiva tvärsnittet genom att reducera det effektiva förkolningsdjupet def , som tar
hänsyn till kolskikt och värmepåverkat trä, från det verkliga tvärsnittet. Det är därefter det effektiva tvärsnittet som fortsätter bidra med hållfasthet i brandfallet då det anses ha samma egenskaper som opåverkat trä vid normal temperatur.
5.4.1 Förkolningsdjup och Förkolningshastighet
Förkolningshastigheten kan i limträ anses som konstant men inbränningen kan påverkas av skruvar och dymlingar som kan bidra till ökat värmeflöde till limträsnittets mitt (Svenskt trä, 2016a). Grundvärdet för endimensionell förkolning, b0 som presenterades i 5.3.1, är för europeiska träslag
0.65 mm/min och beror alltså inte på om den brandexponerade byggnadsdelen är av limträ eller KL-trä. Nära hörnen på rektangulära tvärsnitt, som limträbalkar och limträpelare oftast har, blir värmeflödet istället tvådimensionellt och leda till att kanterna avrundas. Inbränningen kommer därefter öka mer på den smala sidan av tvärsnittet. Blir tvärsnittet exponerat för brand på fler än två sidor kan inbränningen på de smala sidorna försummas då de har liten påverkan på elementets motstånd. För att ta hänsyn kantrundning bör en ekvivalent förkolningshastighet användas när förkolningsdjupet beräknas enligt:
!#$%&,( = %(& [5.9]
Där bn = 0.7 mm/min för limträ (alternativt kan den ekvivalenta förkolningshastigheten i limträ
uttryckas som b0 multiplicerat med en faktor kn=1.08). Förkolningshastigheten kan i limträ anses
som konstant men inbränningen kan påverkas av skruvar och dymlingar som kan bidra till ökat värmeflöde till limträsnittets mitt. (Östman, 2012)
22 5.4.2 Icke lastupptagande lager
Enligt limträhandboken bör det icke lastupptagande lagret i limträ betraktas som för konstruktionsvirke, alltså ett konstant värde på 7 mm. Om limträ används i bjälklags och väggskivor beskrivs d0 dock på liknande sätt som för KL-trä enligt handboken Brandsäkra trähus, se tabell 5.4
Tabell 5.4 - Icke lastupptagande lager i limträskivor
Exponering på Bjälklag Väggar
Oskyddad Skyddad Oskyddad Skyddad
Dragsida ℎ
55+ 8.5
Som oskyddad Ej relevant Ej relevant
Trycksida ℎ
20+ 9
Som oskyddad ℎ
20+ 9
23
6 Anslutningar med inslitsad plåt och dymlingar
6.1 Anslutningarnas inverkan på brandmotståndet
Hur utformningen av anslutningarna ser ut har en betydande roll för övriga konstruktionens stabilitet och bärförmåga. Huvuduppgiften för anslutningarna är att hålla ihop konstruktionen och föra ner laster till grunden (Brandon, et al., 2019). De är även väldigt sårbara för brandexponering och deras brandmotstånd blir således ofta dimensionerande för hela byggnadens brandmotstånd. Brandförhållanden i anslutningar varierar och kan ses som väldigt komplexa, vilket skapar utmaning för att nå kraven för brandmotstånd (Maraevas, et al. 2015). Det är viktigt att både förbandet och elementet klara av att upprätthålla de funktioner och krav som ställs under den avsedda tiden. Eftersom förbandet akilleshäl är brandexponering är det lämpligt att ge förbandet ett högre brandmotstånd än själva elementet (Östman, 2012)
Det saknas fortfarande viktigt underlag och säkerhetsställda principer för KL-trä i en mängd olika infästningssituationer. Detta ställer stora krav på konstruktörerna som ska kunna förstå hur anslutningen överför krafter genom noggrann utformning och sedan göra kraftöverföringen möjlig. Eftersom trä ett material som drar åt sig fukt och förändras av den mängd fukt som absorberas är det viktigt att ta hänsyn till detta vid dimensionering. Anslutningen måste ge trät alternativet att svälla och krympa vid fuktförändringar utan att mer än nödvändigt stora inre spänningar uppstår. Det är även essentiellt att ta hela strukturen i beaktande med hjälp av kunskap och forskning för att bredda och få en övergripande förståelse för byggnationer som byggs med KL-trä (Brandner, et al., 2016).
Några av de anslutningar som används idag med utanpåliggande stålplåtar uppnår en brandmotståndsklassificering på 30 minuter, vilket inte uppnår de brandmotstånd som ställs för högre byggnader i Br1 där kravet ofta ligger mellan 60 och 90 minuter. Då behövs ytterligare brandskydd som t.ex gips. För ett mer estetiskt tilltalande förband med synliga limträytor kan inslitsade plåtar användas där tester gjorts som påvisar att 60 minuters brandmotstånd är möjligt vid rätt utformning av den typen. Träets förkolingshastighet och det värmepåverkande djupet måste vara känt för att kunna bedöma bärförmågan för förbandet. De tester som gjorts är på limträ, dock talar mycket för att liknande brandmotstånd är uppnåeligt även för KL-trä, men det krävs fler undersökningar. En liknande studie som granskar anslutningsprestanda i detalj för KL-trä skall ske, det framgår dock inte vilka anslutningstyper studien kommer beröra. Amerikanska regeringsdepartement för jordbruk och RISE (Research Institutes of Sweden) är ansvariga för detta (Brandon, et al., 2019).
En av anledningarna att anslutningarna är så sårbara för brand är möjlig ökad förkolning på grund av att ståldelarna leder värme inåt som nämnt ovan i kapitel 5. Kapaciteten för en träbyggnad beror därför på förkolningen av träet, reducerade egenskaper av ståldelar och bärförmågan hos det effektiva tvärsnittet (det kvarvarande opåverkade träet) (Peng, et al., 2011).
6.2 KL-trä anslutning
Figur 6.1 beskriver en alternativ utformning av en anslutning mellan vägg- och bjälklagsskivor med inslitsad stålplåt i KL-trä som även används i denna studie (Svenskt Trä, 2017). En T-formad
24 stålplåt skruvas mot KL-skivan och fixeras sedan med dymlingar. Detta är en något mer komplicerad utformning, än den vanligaste utformningen som görs med självborrande träskruvar med montering direkt från bjälklaget ner till den underliggande väggskivan. Anslutningen med inslitsad plåt kräver ett ”hål” i respektive väggskiva enligt den högra bilden i figur 6.1. För detta kan ett datorsystem kallat CNC (Computer Numerical Control) användas. Detta styrsystem är ett hjälpredskap för att tillverka komplicerade delar på ett enhetligt och automatiskt vis. Än så länge används det främst för verkstadsmaskiner, men ger möjlighet att tillverka KL-träelement för mer komplexa byggnadsutformningar och anslutningar. (Schmidt & Blaß, 2018)
För nyttjande av precision och kontroll kan BIM (byggnadsinformationsmodellering) används vid CNC-tillverkningen då en samordningsmodell är viktig. Detta system, där CNC-tillverkningen och BIM kombineras, användes under Believe in Better Building vilket är ett projekt från Storbritannien där ett fyravånings-kontor samt utbildingsbyggnad byggd i limträ och KL-trä uppfördes. Systemet medförde att färre brandstopp (en typ av åtgärd vid otätheter) behövdes på grund av exakt prefabricerade hål (Lawrence, 2016)
Figur 6.1 – Till vänster: Anslutning i KL-trä med inslitsad plåt, skruvar och dymlingar. Källa: Illustrationen är hämtad från Svenskt Träs publikation KL-trähandboken. Till höger: Förtydligande bild av utformningen.
25 6.2.1 Brottmetoder för en anslutning med inslitsad plåt och dymlingar
Lastupptagningen för infästning av plåtar är mycket effektiv och med hjälp av dymlingar och skruvar hålls plattan på plats. Som figur 6.1 visar skyddar det omslutande träet metallplåten som ur brandsynpunkt är den svaga länken i en anslutning. Detta bidrar till att förbandet får ett bättre brandmotstånd än om plåten skulle befinna sig på utsidan av träet (Mohammad, 2013).
För upplagda bjälklag som i figur 6.1 ska anslutningen dimensioneras utifrån en tvärkraft som motsvarar den horisontella lasten på väggen. Vid fullständig dimensionering av en anslutning med en grupp av dymlingar eller skruvar bör följande brottmetoder analyseras (Svenskt Trä, 2017):
• Skjuvning av förbandet
• Utdragning och genomdragning av fästdon
• Samverkande skjuvning och utdragning av fästdon • Skjuvning och dragning av fästdon (brott i stålmaterial) • Tryck vinkelrätt mot fiberriktningen.
Skruvar och dymlingarnas inbördes avstånd måste tas i beaktning för att minska risken att de förskjuts mot spalterna mellan brädorna (Svenskt Trä, 2017).
6.2.2 Avstånd mellan dymlingar
Minimumavstånd mellan dymlingarna presenteras i tabell 6.1 och figur 6.2. Vinkeln b är 0° när de placeras vinkelrätt mot ytan.
Tabell 6.1 - Minimumavstånd för dymlingar placerade i tjockleksriktning (Ringhofer, et al., 2018) a1 a2 a3, drag a3, tryck a4, drag a4, tryck
(3+2cos(b))d 3d 5d 4dsin(b) 3d 3d
Figur 6.2 - Minimumavstånd för dymlingar placerade i KL-skivans tjocklek. Ritad i Autocad med inspiration från (Ringhofer, et al., 2018)
6.3 Limträanslutning
Användandet av inslitsad plåt i limträkonstruktioner skiljer sig något från KL-trä. Den anslutning mellan pelare och balk som är mest lik KL-träanslutningen ovan är utformad enligt figur 6.3 (vänstra bilden) och den inslitsade delen är då endast belägen i balken, medan bakskons baksida
26 förankras med skruv mot pelaren. En annan anslutningstyp med inslitsad plåt och dymlingar är i en pelarfot, se den högra bilden i figur 6.3). De olika typer av brott som ska tas i beaktning för en sådan anslutning är skjuvbrott av förbandet, blockskjuv- eller klossbrott och brott i stålplåten (Svenskt Trä, 2016b) I en studie med avsikt att undersöka brandmotstånd hos en limträanslutning med inslitsad stålplåt och dymlingar utfördes tester där skjuvning av förbandet den brottmetod som analyserades. Dock presenterades inga beräkningsmetoder (Brandon, et al., 2019).
En anslutning som, med enbart hänsyn till utformning med plåt och dymlingar, har likheter med KL-träanslutningen i figur 6.1 är limträanslutningen i figur 6.4 (Svenskt Trä, 2016a). Det framgår även av en studie som undersöker en anslutning av den typen i brandsituation att det brott som oftast blir dimensionerande är på grund av skjuvning. Orsaken beskrivs som en kombination av uppvärmda ståldelar och förkolning av träet (Audebert, et al., 2019.
Figur 6.3 - Till vänster: Anslutning med inslitsad balksko och dymlingar. Till höger: Pelarfot med inslitsad plåt och dymlingar
27 Figur 6.4 - Anslutning i limträ med inslitsad plåt och dymlingar. Källa: Illustrationen är hämtad från Svenskt Träs publikation KL-trähandboken
6.3.1 Avstånd mellan dymlingar
Minimumavstånd mellan dymlingarna presenteras i tabell 6.2 och figur 6.5. Avstånden a3 och a4 ska
dessutom ökas med afi enligt ekv. 6.1.
="1 = %($"234>&"1− &5,"1@ [6.1] där
bn är förkolningshastigheten
kflux är en koefficient som tar hänsyn till ökade värmetransporten p.g.a. fästdon
tfi är den nödvändiga brandmotståndstiden
td,fi är brandmotståndstiden hos den oskyddade anslutningen enligt tabell 7.1
Tabell 6.2 - Minimumavstånd mellan dymlingar i limträ
a1 a2 a3 a4
7d 4d 7d 3d
28
6.4 Likheter mellan anslutningar
Trots olikheter mellan anslutningarna i figur 6.1 och 6.4 har de brott på grund av skjuvning gemensamt. Skjuvning är extra viktigt att ta hänsyn till vid brandexponering av anslutningar och det är av denna orsak studien valt att härefter fokusera på just skjuvning i en anslutning med inslitsad plåt och dymlingar. Vid skjuvning tas flytmomentet hos dymlingarna och bäddhållfastheten hos träet i beaktning. Flytmomentet beskriver det maximala momentet dymlingarna klarar av efter att ha övergått från elastiskt till plastiskt tillstånd och bäddhållfastheten beskriver det tryck det omgivande träet kan upprätthålla innan brott.
Sådana beräkningar finns presenterade för limträanslutnigen i 6.4 i Fire Safety in Timber buildings (Östman, et al., 2010) men saknas för en KL-träanslutning, dock finns det studier kring separata delar, se vidare i kapitel 7.
29
7 Tillgängliga metoder för beräkning av skjuvhållfasthet
7.1 Skjuvhållfasthet i Limträanslutning
Följande beräkningar representerar en anslutning i limträ enligt figur 6.5 (se figur 6.3 för 3D) och har sin utgångspunkt i Eurokod, men presenterades med ändrade faktorer i Fire Safety in Timber Buildings (Östman, et al., 2010).
Karakteristisk bärförmåga beräknas enligt: 25,*,"1 = A26,78 [7.1] Med reduceringsfaktorn h enligt:
A = B98*!" [7.2]
där
Fd,t,fi är den dimensionerande bärförmågan hos en anslutning vid skjuvning under standardbrand
Fv,Rk är den karakteristiska bärförmågan hos en anslutning med fästdon vid skjuvning under
normala förhållanden.
Värdet på k bestäms enligt tabell 7.1 Tabell 7.1 - Parameter k (Östman, et al., 2010)
Fästdon Träelement k td,fi
Dymling t1 ³60mm 0.045 60 min
Om brandkravet (td,fi) överstiger R30 i en anslutning med bultar ska tjockleken hos sidorna (t1) öka
enligt:
∆& = >&"1− 30@%( [7.3]
Och för dymlingsförband med brandkrav som överstiger R60 ska tjockleken öka enligt: ∆& = >&"1− 60@%( [7.4]
Där
Dt är tjockleken adderad till båda sidor om förbandet
bn är den dimensionerande nominella förkolningshastigheten vid standardbrand enligt
EN-1995-1-2, tabell 3.1
Modellen bygger på följande antaganden: • Fv,Rk enligt ovan
• a1=7d, a2=4d, a3=7d, a4=3d, där d är fästdonets diameter.
30 I en anslutning mellan två balkar med inslitsad plåt och dymlingar som förband ser ekvationen för den karakteristiska bärförmågan ut såhär:
!!,#$ = #$% ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ *%,&,$+, *%,&,$+, -.2 + '(!,#$ )%,&,$*+'− 13 2.367,,#$*%,&,$, [7.5] med Dℎ,;,<= 0,082(1 − 0,01!)G< [7.6] Och H=,78 = 0,3D3,8!+.? [7.7] Där
fh,a,k är karakteristisk bäddhållfasthet hos trä där a beskriver lastens riktning
(0° i denna studie)
My,Rk är karakteristisk flytmoment för en förbindare
rk är densiteten hos trä
fu,k är karakteristisk draghållfasthet för fästdon
7.2 Skjuvhållfasthet i KL-trä anslutning
När beräkningarna i den Europeiska handboken gällande skjuvhållfasthet i limträanslutning modifierades användes samma flytmoment som i Eurokod. I en studie från 2019, med syfte att öka förståelse för beteendet hos dymlingar av höghållfast stål i KL-träanslutningar presenterades följande alternativa formel (Tuhkanen & Ojamaa):
H=,78 =@?0.8D3,8!A [7.8]
I limträmetoden ovan (se 7.1) görs antagandet att dymlingar med stor diameter inte kan utveckla fullständig flytled och utnyttja flytmomentet (på grund av små böjvinklar). Tester i studien visade att vid mindre diametrar skapas möjligheten till större böjvinklar och därmed bättre förmåga att utveckla flytled och därav presenterades ekv 7.8 som bättre lämpad än ekv 7.7 (Tuhkanen & Ojamaa, 2019).
Vidare görs ingen skillnad på bäddhållfastheten i beräkningarna för limträ utan även den representerar beräkning enligt Eurokod. Ringhopfer m.flera (2018) anser att bäddhållfastheten i KL-trä bör beräknas olika beroende på om fästdonen är positionerade vinkelrätt mot skivans plan eller vinkelrätt mot skivans kant. Densiteten hos träet är enligt studien en avgörande faktor för
31 dymlingarna. När dymlingarna är placerade i tjockleksriktningen och på så vis går igenom flera lager bör enligt studien en karakteristisk densitet för KL-trä på rk=400kg/m3 användas. Mot kanterna
är det däremot vanligast att dymlingen går igenom endast ett skikt och då bör istället rk=350kg/m3
användas. För att minska den negativa inverkan på fästdonens prestanda som följd av att placering sker i mellanrum kan dymlingen gå igenom minst 3 lager (Ringhofer, et al., 2018).
Beräkning av bäddhållfastheten hos en dymling i KL-trä som är placerad vinkelrätt mot skivans plan bör enligt studien ske i linje med ekv 7.9 nedan (Ringhofer, et al., 2018).
!
!,#,$%&=
'.')*(*,','*-.)0!"."$*.* 123%45671%4 [7.9]
32
8 Genomförande
8.1 Tillvägagångssätt
Den framtagna metoden bygger på antaganden av den sammanställda forskningen för att kunna presentera en möjlig beräkning av brandmotstånd i KL-träanslutningar. Resultatet ska fungera som diskussionsunderlag snarare än en fullständig kunskapsöversikt och betona det tomrum som finns gällande branddimensionering av anslutningar i KL-trä.
Innan resultatet kan presenteras utvärderas den litteraturundersökning som gjorts för att kunna fastställa beräkningarnas ingående faktorer. Sedan presenteras i detta avsnitt vilka val och antaganden som görs och varför. Antaganden har också baserats på hur förbandet troligtvis kommer uppföra sig under belastning vid brand. Fokus har varit på den under del av anslutningen i figur 6.1, då påfrestningen anses störst för den undre plåten vilket ökar risken för skruvbrott. I studien görs antagandet att formler kan anpassas från limträ till KL-trä på grund av likheter mellan materialens uppbyggnad, anslutningsdetaljer, brandens inledningsskede, förkolningsprocess och risk för delaminering. När limträanslutningen i figur 6.5 jämförs med KL-träanslutningen i figur 6.1 ser de vid första anblick helt olika ut men de har skjuvning i dymlingsförbandet gemensamt och därför görs om att det är möjligt att utgå ifrån limträberäkningen i 7.1 när beräkningsmetoden för KL-tär ska sammanställas. Skillnad görs dock gällande hur kraften disponeras på konstruktionen. I metoden för limträ beräknas bärförmågan hos anslutningen i kN, med en dymlings kapacitet multiplicerat med det totala antalet. I beräkningen för anslutningen i KL-trä beräknas kapaciteten istället i kN/m då krafter verkar över hela KL-skivans som en utbredd last snarare än en punktlast. Nedan presenteras de faktorer som ingår i den nya metoden.
8.1.1 Faktorer för trä
I resultatets första del beräknas det effektiva tvärsnittet hos två olika KL-träskivor uppbyggda med 5 skikt. De yttersta skikten var för båda skivorna 40 mm men det mittersta skiktet varierande enligt alternativ 1 och alternativ 2 i figur 8.1:
33 Uppbyggnaden med ett yttre skikt på 40 mm har använts i brandtester med syfte att undersöka möjligheten till självsläckning hos KL-trä och då förkolningslinjen inte nådde första limfogen innan det självsläcktes visade det sig att den uppbyggnaden var mest gynnsam (Crielaard, et al., 2019). Skivorna saknar mellanrum (mellanrum < 2mm) och förkolningshastighet riskerar inte att ökas till följd av det.
I beräkningarna används densiteten rk=400kg/m3 enligt studien av Ringhopfer m. fl (2018)
presenterad i 7.2 då dymlingarna fästs i tjockleksriktningen.
8.1.1.1 Lim
När den nya beräkningsmetoden ska appliceras på ett exempel antas KL-skivorna vara uppbyggda med lim som motverkar delaminering (MUF) då mycket tyder på att det är sådana lim som i framtiden kommer användas när KL-trä ska användas utan brandskyddsmaterial. Därför kan beräkningsgång för förkolning räknas ungefärligt som om det skulle brinna i ett solitt trämaterial
8.1.2 Faktorer för ståldelar
Istället för att räkna flytmomentet enligt ekvation 7.7 (med ursprung i Eurokod) används för den nya beräkningsmetoden flytmoment enligt ekv 7.8. Ekvationen bygger på att nödvändig diameter för dymlingarna beräknas som en fjärdedel av avståndet fram till den inslitsade plåten (Tuhkanen & Ojamaa, 2019). Bäddhållfastheten beräknas enligt ekv 7.9.
För stålplåten används tjockleken 9 mm. I beräkningen adderas dock 0.5 mm på vardera sida för att ta hänsyn till att hålrummet skapat av CNC-maskinen.
Dymlingarna, som fästs i skivans tjockleksriktning och blir sidobelastade placeras i två rader enligt tabell 6.1 se även figur 6.2.
Utöver dymlingarna och stålplåten så utformas anslutningen med träskruvar vinkelrätt mot väggarnas kant. Brandmotstånd med hänsyn till dem ingår dock inte i denna beräkningsmetod.
8.1.3 Faktorer gällande brand
Beräkningen görs enligt standardbrand. För att trots det ta hänsyn till avsvalningsfasen och eventuell självsläckning väljs förkolningshastigheten till b0= 0,65mm/min enligt studien av
Crielaard m.fl. från 2019 presenterad i kapitel 5.3.1 (då träet är oskyddat och saknar mellanrum sätts kpr respektive kg till 1.0).
Brandkravets som ska uppnås är R60 och KL-trä elementen är endast utsatt för brand på en sida. Det icke lastupptagande lagret s0 behandlas enligt följande: Väggen blir tryckt på grund av att den
böjer utåt vid brand och medför att bjälklaget ovanför böjer nedåt och den brandexponerade sidan blir därför dragen. Se tabell 5.2 för väggen (tryckt sida) och tabell 5.3 för bjälklaget (dragen sida).
34 Enligt limträmetoden ska avstånden till plåten(t1), samt avstånden till dymlingar från balkens kant
(a3 och a4) öka med hänsyn till ökad förkolningshastighet på grund av att ståldelarna drar till sig
värme, se 7.1. Skillnaden här, mellan limträ och KL-trä, är att limträbalken kan bli exponerad från brand på mer än en sida medan antagandet görs för detta fall att KL-skivan endast blir brandexponerad vinkelrätt mot vägg, respektive bjälklag/tak. Av detta skäl görs antagandet att det endast är tjockleken in till plåten som behöver tas hänsyn till när det gäller ökad förkolning för denna typ av anslutning. Den nödvändiga tjockleken in till plåten i den nya beräkningsmetoden beräknas med hänsyn till risken för delaminering.
För enkelhetens skull då beräkningsmetoderna ser olika ut så beslöt vi oss för att vid jämförelse utgå från framräknat värde för t1 och d även för limträ metoden.
35
9 Beräkning av brandmotstånd i KL-trä anslutning med inslitsad plåt
och dymlingar
9.1 Brandmotstånd av KL-skivor
Med de ur studien valda ingångsvärdena beräknades skivornas (se figur 8.1) effektiva tvärsnitt efter 60 minuters brandbelastning, se bilaga 1. Resultatet presenteras i tabell 9.1, respektive tabell 9.2. Tabell 9.1 Sammanställning av bjälklagsskivans effektiva tvärsnitt
Skivans
uppbyggnad d[mm] char s[mm] 0 d[mm] ef h[mm] ef Antal skikt som bidrar till bärförmågan
(1) 40+30+30+30+40 39,0 11,7 50,7 119,3 3 st (100mm)
(2) 40+30+40+30+40 39,0 11,8 50,8 129,2 3 st (110 mm) Tabell 9.2 Sammanställning av väggskivans effektiva tvärsnitt
Skivans
uppbyggnad d[mm] char s[mm] 0 d[mm] ef h[mm] ef Antal skikt som bidrar till bärförmågan
(1) 40+30+30+30+40 39,0 21,8 60,8 109,2 3 st (100mm)
(2) 40+30+40+30+40 39,0 22,5 61,5 118,5 3 st (110 mm)
Förkolningsskiktet dchar beräknades till 39 mm och når således inte första limfogen (på grund av
yttersta skikttjocklek på 40 mm). I alla beräkningar, oavsett vägg- eller bjälklagsskiva visade beräkningen en effektiv tjocklek på elementet som motsvarade 3 hela skikt. I alternativen med ett mittersta skikt på 40 mm gav bäst effektiv tjocklek (110mm).
9.2 Presentation av ny beräkningsmetod
Den framtagna beräkningsmetoden för skjuvhållfasthet vid brand hos en anslutning med inslitsad plåt och dymlingar resulterade i följande:
Efter att det effektiva tvärsnittet beräknats och dimension på skivorna bestämts med hänsyn till detta beräknas avståndet fram till stålplåten (t1) och dymlingarnas diameter (d)enligt:
&@ =$9B+ [9.1]
! = *#
C [9.2]
Därefter beräknas bäddhållfasthet (fh) och flytmoment hos dymlingen (My,Rk) enligt:
D$,8,DEF =).)A@(@9),)@H5)J$
#.#&
@.@ ,1('KL#0,'K [9.3]
