odporność ogniowa belek z drewna klejonego wzmacnianych

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Marlena RAJCZYK, Damian JOŃCZYK
Politechnika Częstochowska
ODPORNOŚĆ OGNIOWA BELEK Z DREWNA KLEJONEGO
WZMACNIANYCH KOMPOZYTAMI WŁÓKNISTYMI
This paper presents basic information about fire resistance of timber and glulam. The article also shows achievements in research of fire resistance of glulam with
FRP reinforcement.
WPROWADZENIE
Podczas projektowania konstrukcji budowlanych w obliczeniach wytrzymałościowych zawsze są uwzględniane odpowiednie obciążenia statyczne oraz, jeśli
występują, obciążenia dynamiczne. Natomiast często pomijane jest obciążenie
konstrukcji ogniem podczas pożaru. Jest to ważny aspekt, gdyż konstrukcja zaprojektowana z uwzględnieniem możliwości wystąpienia pożaru może uchronić lub
znacznie wydłużyć czas potrzebny na ewakuację przed poważną katastrofą budowlaną.
Do czasu wprowadzenia Eurokodów dotyczących obciążenia konstrukcji pożarem [1] projektowanie konstrukcji z uwzględnieniem obciążenia ogniem było regulowane wyłącznie przez ogólne przepisy prawne, bardziej szczegółowo opisane
w [2]. W tym temacie nie sprecyzowano natomiast typowo konstrukcyjnych uwarunkowań. W szerszym ujęciu problemy dotyczące projektowania ze względu na
warunki pożarowe zostały przedstawione w artykule [3].
Z trudniejszą sytuacją mamy do czynienia w przypadku nowych konstrukcji,
które nie mają krajowych ani europejskich uwarunkowań normowych. Przykładem
tego typu konstrukcji mogą być belki z drewna klejonego warstwowo wzmacniane
materiałami z kompozytów włóknistych FRP (Fiber Reinforced Polymer) [4].
Obecnie można spotkać wiele opracowań na temat odporności ogniowej
drewna zarówno litego [1, 2, 5], jak i klejonego [1, 2, 6-11], natomiast ogniotrwałość elementów drewnianych wzmacnianych materiałami FRP jest dopiero
w fazie badań. Zainteresowanie konstrukcjami drewnianymi zbrojonymi kompozytami włóknistymi w Polsce i Europie systematycznie rośnie, więc niezbędna
jest wiedza na temat zachowania się tego typu konstrukcji w warunkach
pożaru.
194
M. Rajczyk, D. Jończyk
1. ODPORNOŚĆ OGNIOWA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH
ORAZ ZJAWISKO POŻARU
Według [2]: „odporność ogniowa jest to zdolność elementu do spełnienia
w określonym czasie określonych funkcji użytkowych w warunkach pożaru”. Pojęcie odporności ogniowej jest bezpośrednio związane ze zjawiskiem pożaru.
Pożar jest gwałtownym zjawiskiem rozkładu termicznego materiałów łatwopalnych i charakteryzuje się następującymi cechami:
− w większości przypadków (pomijając jedynie czynniki atmosferyczne) jest
spowodowany działalnością ludzką,
− jego oddziaływanie na elementy konstrukcyjne nie ma bezpośredniego wpływu
mechanicznego, lecz powoduje zmianę środowiska obiektu, co ma pośredni
wpływ na właściwości mechaniczne elementów budynku.
Pożar może oddziaływać na konstrukcję obiektu budowlanego w sposób:
− termiczny - promieniowanie, konwekcja oraz przewodzenie ciepła,
− mechaniczny - wzrost ciśnienia,
− chemiczny - powstawanie korozyjnych produktów w wyniku spalania.
2. ODPORNOŚĆ OGNIOWA DREWNA
2.1. Wiadomości ogólne
Drewno w odróżnieniu od stali czy betonu jest materiałem palnym. Jeżeli drewno poddamy działaniu wysokiej temperatury, następuje wówczas zjawisko zwane
rozkładem pirolitycznym. Podczas spalania na powierzchni drewna tworzy się
zwęglona warstwa, która w trakcie trwania pożaru stopniowo narasta. Warstwa ta
nie ma żadnych właściwości wytrzymałościowych, jest jednak w pewnym stopniu
izolatorem chroniącym wnętrze, gdyż ogranicza dopływ tlenu do wnętrza przekroju, a co za tym idzie - przyrost temperatury. Niezwęglone jądro znajduje się wewnątrz przekroju i poprzez oddziaływanie termiczne pożaru wzrasta w nim temperatura oraz wilgotność (rys. 1), co zmniejsza jego nośność [2, 7].
W przypadku drewna właściwości mechaniczne oraz spalanie są traktowane
łącznie, ponieważ oba elementy mają związek z nośnością.
Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych wiąże się z dwoma czynnikami:
− spadkiem właściwości mechanicznych spowodowanym wzrostem wilgotności
oraz temperatury,
− zmniejszeniem wymiarów przekroju poprzecznego spowodowanym zwęgleniem.
Podczas spalania drewna możemy wyróżnić kilka etapów. W pierwszym etapie
(endotermicznym) temperatura oscyluje wokół 100°C, po wzroście do 125°C
drewno zaczyna wytwarzać substancje lotne. W drugim etapie (egzotermicznym),
początkującym właściwy etap spalania, właściwości fizyczne drewna zaczynają
ulegać zmianie oraz w temperaturze 250°C następuje zapłon. Ostatnią fazą jest etap
spalania, podczas którego w przekroju poprzecznym możemy wyróżnić kilka stref
temperatury (rys. 2) [2, 7]:
Odporność ogniowa belek z drewna klejonego wzmacnianych kompozytami włóknistymi
195
− jądro, w którym temperatura nie wzrasta powyżej 90°C,
− obrzeże jądra, w którym w temperaturze 100÷200°C następuje zwiększone
wydzielanie gazów i rozwój endotermicznego procesu pirolizy,
− obszar, w którym rozpoczyna się zwęglenie, w zakresie temperatur 200÷280°C,
− obszar zwęglenia, w którym w temperaturze ponad 280°C drewno całkowicie
rozkłada się na węgiel drzewny oraz gazy,
− obszar żarzenia, w którym w temperaturze do 1100°C węgiel drzewny tli się
i spala.
Rys. 1. Rozkład wilgotności w belce poddanej działaniu ognia o początkowej szerokości
18,5 cm [2]
Rys. 2. Strefy temperatury w przekroju belki poddanej działaniu ognia [7]
Na początku procesu spalania drewna grubość zewnętrznej warstwy zwęglonej
szybko rośnie, następnie proces ten ulega spowolnieniu, co jest spowodowane działaniem izolacyjnym warstwy zwęglonej oraz odparowaniem wilgoci do jądra elementu. Na koniec, po całkowitym odparowaniu wody, następuje ponowne
przyspieszenie tego procesu.
196
M. Rajczyk, D. Jończyk
Po przeprowadzonych wielu badaniach ustalono, że szybkość zwęglenia przekroju zależy od wielu czynników, m.in. gatunku i rodzaju drewna (szybszemu
zwęgleniu ulegają gatunki drewna lekkiego, jak świerk, sosna), właściwości fizycznych (woda znajdująca się w drewnie spowalnia proces zwęglenia).
Jak zostało wcześniej wspomniane, drewno jest materiałem palnym. Lecz o zapalności decyduje zastosowanie impregnacji oraz właściwości fizyczne danego
gatunku drewna. W zależności od różnych czynników elementy drewniane możemy zaklasyfikować do materiałów łatwopalnych lub trudno zapalnych.
2.2. Drewno klejone
Drewno klejone ze względu na sposób wykonania ma inną odporność ogniową
niż drewno lite. Jak podaje [2], drewno klejone spala się w sposób bardziej równomierny (rys. 3) oraz wolniej w porównaniu do drewna litego. Spowodowane jest
to występowaniem pęknięć w drewnie litym, przez które ogień głęboko je penetruje. Grubość tarcicy w drewnie klejonym nie ma wpływu na szybkość zwęglania,
lecz wpływ ma rodzaj zastosowanego kleju, kształt przekroju poprzecznego oraz
kierunek spoin.
a)
b)
c)
Rys. 3. Belka z drewna klejonego warstwowo: a) przed poddaniem działaniu ognia,
b) po 30 min działania ognia, c) po 60 min działania ognia [8]
Na podstawie badań przeprowadzonych w Polsce [7] określono szybkość zwęglenia drewna klejonego na około 0,6 mm/min (rys. 4). Ponadto drewno klejone
zaklasyfikowano jako słabo rozprzestrzeniające ogień (przy grubościach do 12 cm)
oraz nierozprzestrzeniające ognia (przy grubościach powyżej 12 cm lub w przypadku zabezpieczenia środkiem ochronnym) [6, 11]. Szczegółowe badania na temat właściwości drewna klejonego w warunkach działania ognia można znaleźć
m.in. w pracach [9, 10]. Określono w nich właściwości mechaniczne oraz rozkład
temperatury w przekroju poprzecznym drewna klejonego w warunkach działania
ognia.
Głębokość zwęglenia
[mm]
Odporność ogniowa belek z drewna klejonego wzmacnianych kompozytami włóknistymi
197
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
Czas [min]
Rys. 4. Głębokość zwęglenia drewna klejonego warstwowo w funkcji czasu badania odporności ogniowej [7]
Badania zostały przeprowadzone na belkach z różnych miękkich gatunków
drewna o wymiarach przekroju poprzecznego 266 x 140 mm, 266 x 190 mm oraz
długości 1800 mm poddanych działaniu ognia przez 30, 45 oraz 60 min, działającego z trzech stron. Następnie poprzez badania wytrzymałościowe określono, że
moduł sprężystości belek poddanych działaniu ognia w odniesieniu do belek porównawczych zmniejszył się o 7,3÷39,0%, natomiast wytrzymałość na ściskanie
oraz ścinanie w odniesieniu do belek porównawczych znacząco się nie zmniejszyła. Temperatura w środku przekroju poprzecznego wzrosła: dla belek o wymiarach
266 x 190 mm o około 3,45°C, natomiast dla belek o wymiarach 266 x 140 mm
o około 22,5°C.
3. ODPORNOŚĆ OGNIOWA BELEK WZMACNIANYCH MATERIAŁAMI FRP
Ponieważ konstrukcja belek drewnianych wzmacnianych kompozytami włóknistymi (FRP) jest stosunkowo nowym rozwiązaniem, niewiele można spotkać polskich opracowań poruszających problematykę odporności ogniowej tego typu elementów. Częściowo problem został opisany w pracy [12].
Badania odporności ogniowej przedstawione w pracy [13] zostały wykonane
w dwóch różnych testach.
Schemat pierwszego typu badań przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Belki zostały obciążone siłą równą 2/3 siły niszczącej i poddane działaniu ognia o temperaturze 800°C z palnika gazowego. Do badań użyto belek zbrojonych taśmami węglowymi CFRP zarówno w strefie rozciąganej, jak i ściskanej. Różniły się one
jakością zastosowanego zbrojenia. Belki wzmocnione były taśmami o zagęszczeniu włókien 600 oraz 150 g/m2. Wyniki porównano z belką niezbrojoną. Dla obu
belek oraz belki niezbrojonej porównano wartości ugięć w odniesieniu do czasu
działania ognia, co zostało przedstawione na rysunku 7. Tempo powstawania odkształceń belek zbrojonych taśmami CFRP jest znacznie mniejsze niż w przypadku
konwencjonalnych belek, co powoduje, że tego typu konstrukcje są znacznie bezpieczniejsze.
198
M. Rajczyk, D. Jończyk
Rys. 5. Schemat badania belek pod obciążeniem 2/3 siły niszczącej poddanych działaniu
ognia (wymiary w mm) [13]
Ugięcie [mm]
Rys. 6. Przebieg badania belek pod obciążeniem 2/3 siły niszczącej poddanych działaniu
ognia [13]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
belka niezbrojona
CFRP 150 g/m2
CFRP 600 g/m2
0
100
200
300
400
Czas ekspozycji na działanie ognia [s]
500
Rys. 7. Ugięcia belek poddanych działaniu ognia według [13]
Odporność ogniowa belek z drewna klejonego wzmacnianych kompozytami włóknistymi
199
Drugim testem wykonanym na belkach było poddanie działaniu ognia przez
60 min belek od strony niezbrojonej (rys. 8a). Wyniki drugiego testu również wykazały lepsze właściwości belek wzmocnionych ze względu na bardziej symetryczne zwęglenie (rys. 8b). Lepsze właściwości belek zbrojonych są prawdopodobnie związane z utrudnionym dostępem tlenu wskutek zastosowania taśm CFRP.
W pracy [14] przedstawiono bardziej obszerne wyniki badań. Przebadano
30 belek, z których 26 było zbrojone materiałami FRP, natomiast 4 były konwencjonalnymi belkami z drewna klejonego. Wymiary przekrojów poprzecznych belek
przyjętych do badań przedstawiono na rysunku 9. Wilgotność badanego drewna
wahała się w granicach 8÷12%. Belki zbrojone były trzema typami taśm kompozytowych: AFRP - aramidowymi, CARP - węglowo-aramidowymi, GARP - szklano-aramidowymi o grubości 1,78 mm, których właściwości przedstawiono w tabeli 1.
Powyższe taśmy kompozytowe zostały umieszczone w dwojaki sposób; dla części
belek na zewnątrz przekroju, dla pozostałych belek pomiędzy ostatnią a przedostatnią lamelą. Długości belek wynosiły 3,66, 4,27 oraz 5,49 m.
a)
b)
Rys. 8. Belki drewniane poddane działaniu ognia: a) podczas badania, b) po wykonanym
badaniu [13]
Rys. 9. Przekroje belek przyjęte do badań według [14]
200
M. Rajczyk, D. Jończyk
Tabela 1. Właściwości materiałów FRP użytych do badań w pracy [14]
Rodzaj włókien
Moduł Younga
MPa
Wytrzymałość
na rozciąganie
MPa
Temperatura odkształcalności
cieplnej
°C
GARP
CARP
AFRP
55 160
114 460
79 980
241
834
986
110
103
109
Belki podczas badań były poddane działaniu ognia pochodzącego z 12 symetrycznie rozmieszczonych palników gazowych oraz obciążeniu zamkniętymi rurami stalowymi wypełnionymi piaskiem, zawieszonymi pośrodku rozpiętości belki.
Powyższe badania wykazały, że odporność ogniowa belek zbrojonych jest
o około 50% większa od konwencjonalnych belek, natomiast rodzaj zastosowanego
zbrojenia nie ma większego wpływu na wyniki badań. Bardziej korzystne wyniki
zostały otrzymane z zastosowaniem zbrojenia wewnątrz belki (odporność ogniowa
większa o 44% w stosunku do belek zbrojonych zewnętrznie). Autorzy badań
zwracają jednak uwagę, że dla kompozytów włóknistych o innych parametrach niż
przyjęte w badaniach wyniki mogą być inne.
PODSUMOWANIE
Odporność ogniowa jest ważnym zagadnieniem w praktyce projektowej,
a w szczególności w przypadku konstrukcji wykonanych z drewna. Cechą charakterystyczną elementów drewnianych jest to, że spadek wytrzymałości podczas pożaru spowodowany jest zarówno obniżeniem właściwości mechanicznych w niezwęglonym jądrze, jak i zmniejszeniem wymiarów przekroju poprzecznego.
Pomimo tego drewno klejone można zakwalifikować jako słabo rozprzestrzeniające ogień (przy wymiarach elementów do 12 cm) oraz nierozprzestrzeniające ognia
(przy wymiarach elementów powyżej 12 cm lub zastosowaniu impregnacji).
W przypadku nowych konstrukcji, jakimi są belki z drewna klejonego wzmacniane materiałami FRP, wstępne badania wykazały, że wzmocnienie belek kompozytami włóknistymi zwiększa odporność ogniową o około 50% w stosunku do belek niezbrojonych, natomiast bardziej korzystne, pod względem odporności
ogniowej, jest umieszczenie zbrojenia pomiędzy ostatnią a przedostatnią lamelą niż
od spodu belki. Na wzrost odporności ogniowej nie wpływa rodzaj zastosowanych
kompozytów włóknistych.
LITERATURA
[1]
[2]
PN-EN 1995-1-2 Eurokod 5: Projektowanie konstrukcji drewnianych. Część 1-2: Postanowienia ogólne. Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
Kosiorek M., Bezpieczeństwo pożarowe budynków, [w:] Budownictwo ogólne. Fizyka budowli, pod. red. P. Klemma, Arkady, Warszawa 2005, 667-828.
Odporność ogniowa belek z drewna klejonego wzmacnianych kompozytami włóknistymi
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
201
Kram D., Projektowanie obiektów drewnianych z uwzględnieniem wymagań w zakresie odporności ogniowej, Czasopismo Techniczne, z. 4-A/2007, Wyd. Politechniki Krakowskiej, Kraków
2007, 295-300.
Rajczyk M., Jończyk D., Numerical study of glued laminated timber beams with aramid fibers
reinforcements, [w:] Proceedings of 3rd International Conference on Contemporary Problems in
Architecture and Construction, Beijing 2011, China, November 20-24.
Podręcznik 1 - Konstrukcje drewniane, Praca zbiorowa pod red. M. Augustyna, wydanie internetowe 2008.
Materiały informacyjne firmy Lilleheden.
Pogorzelski J.A., Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych, COIB, Warszawa 1980.
www.architekci.pl/konstrukcje.
Yang T.H., Wang S.Y., Tsai M.J., Lin C.Y., Chuang Y.J., Effect on fire exposure on the mechanical properties of glued laminated timber, Materials and Design 2009, 30, 698-703.
Yang T.H., Wang S.Y., Tsai M.J., Lin C.Y., Temperature distribution within glued laminated
timber during a standard fire exposure test, Materials and Design 2009, 30, 518-525.
Osys B., Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych, [w:] Tradycyjne i współczesne budownictwo drewniane, red. naukowa J. Rajczyk, M. Rajczyk, T. Bobko, N. Kazhar, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008, 155-160.
Nowak T., Analiza pracy statycznej zginanych belek drewnianych wzmacnianych przy użyciu
CFRP, Rozprawa doktorska, Wrocław 2007.
Ogawa H., Architectural application of carbon fibers. Development of new carbon fiber reinforced glulam, Carbon 2000, 38, 211-226.
Martin Z., Tingley D.A., Fire resistance of FRP reinforced glulam beams, World Conference on
Timber Engineering, Whistler Resort, British Columbia 2000, Canada, July 31-August 3.