CLT-rakenteen palotekniset ominaisuudet ja hiiltyminen

Abstract

Tässä diplomityössä käsiteltiin CLT-rakenteen paloteknisiä ominaisuuksia. CLT-rakenne eli ristiin liimattu puu on nuorehko insinööripuutuote markkinoilla ja tästä syystä tuotetta ei ole laajamittaisesti tutkittu maailmalla. Diplomityötutkimuksessa tavoitteena oli selvittää CLT-rakenteen hiiltymistä ja hiiltymiseen vaikuttavia eri tekijöitä sekä tunnistaa, miten kerroksellisen CLT-rakenteen hiiltyminen poikkeaa sahatavaran hiiltymisestä. Tutkimuksessa pyrittiin myös selvittämään, kuinka kantavan CLT-rakenteen palomitoituksessa sovellettavat hiiltymisnopeuden arvot voidaan määrittää polttokokeiden tuloksista.

Diplomityössä esitettyjen kysymysten ratkaisemiseksi tutkittiin kirjallisuutta laajasti. Erilaiset artikkelit, konferenssijulkaisut, väitöskirjat, tutkimukset ja internetin tarjoama informaatio olivat diplomityössä ensisijaisena teoreettisen tietämyksen lähteenä. Diplomityön yhteydessä suoritettiin myös kolme eri polttokoetta Tampereen Yliopiston Rakennetun ympäristön tiedekunnan palolaboratoriossa. Testattujen CLT-paneeleiden paksuudet ja lamellivahvuudet poikkesivat toisistaan. Kokeellisen tutkimuksen yhteydessä arvioitiin myös, sitä miten polttokokeet tulisi toteuttaa, jotta niiden tulokset kuvaisivat mahdollisimman hyvin rakenteen hiiltymistä todellisissa olosuhteissa.

Kirjallisuustutkimuksen perusteella merkittävimmät puurakenteen hiiltymiseen vaikuttavat tekijät ovat puun kosteuspitoisuus ja tiheys. Keskeisimmät hiiltymiseen vaikuttavat ulkoiset tekijät ovat rakenteeseen kohdistuvan lämpövuon voimakkuus ja palotilan happipitoisuus. CLT-rakenteessa hiiltymiseen merkittävästi vaikuttavia tekijöitä ovat lisäksi CLT-rakenteen lamellien liimauksessa käytetty liima ja lamellien paksuus. Diplomityön yhteydessä suoritettujen polttokokeiden havainnot tukivat kirjallisuudessa esitettyjä havaintoja.

Polttokokeiden tulosten avulla tutkittiin miten kerroksellisen puurakenteen, kuten CLT, palomitoituksessa käytetty hiiltymisnopeus tulisi koetuloksista määrittää. Hiiltymisnopeuden valinnassa tulkittiin kirjallisuudessa esitettyjä erilaisia hiiltymissyvyyden kehityksen malleja. Näitä malleja soviteltiin samaan kuvaajaan diplomityön yhteydessä suoritettujen polttokokeiden tuloksista muodostettuihin hiiltymissyvyyden kuvaajiin. Hiiltymissyvyyden kuvaajien avulla muodostettiin syvempi käsitys hiiltymisnopeuden valintaan liittyvistä ongelmista. Analysoimalla erilaisten mallien tuottamia hiiltymissyvyyksiä, pyrittiin löytämään sellainen hiiltymisen tarkastelutapa, joka tuottaisi rakennesuunnittelun näkökulmasta turvallisen lopputuloksen. Tutkimus osoitti, että jokaiselle lamellikerrokselle erikseen määritetyistä hiiltymisnopeuksista on haastava yhdistää yksi kaikkia kerroksia kuvaava hiiltymisnopeus, joka tuottaisi rakenteen kantavuuden ja taloudellisuuden suhteen turvallisen ja taloudellisen lopputuloksen. Tutkimus osoitti, että kerroksellisen rakenteen keskimääräisen hiiltymissyvyyden etenemiseen perustuva menetelmä tuottaa todennäköisesti paremman ratkaisun. Tätä toista tarkastelutapaa ei kuitenkaan sisällytetty enää tähän diplomityötutkimukseen. Diplomityön tulokset toimivat kuitenkin hyvänä lähtökohtana jatkotutkimukselle.

This thesis dealt with the fire-technical properties of the CLT structure. Cross Laminated Timber - CLT is a young engineering product on the market and the product has not been extensively studied worldwide. The aim of the thesis was to find out the charring of the CLT and the different factors influencing the charring, and to identify how the charring of the layered CLT differs from the charring of sawn timber. The study also sought to determine how the charring rate values applicable to the fire design of a load bearing CLT structure can be determined from the results of fire tests.

To solve the questions posed in the master’s thesis, the literature was studied extensively. Various articles, conference proceedings, dissertations, research, and information provided by the Internet were the primary source of theoretical knowledge in the thesis. In connection with the master’s thesis, three different fire tests were also performed in the fire laboratory of the Faculty of Built Environment at the University of Tampere. The thicknesses and lamellar thicknesses of the CLT panels tested differed. In connection with the experimental study, it was also evaluated how the fire tests should be carried out so that their results best reflect the charring of the structure under real conditions.

Based on a literature review, the most significant factors influencing the charring of a wood structure are the moisture content and density of the wood. The main external factors influencing charring are the intensity of the heat flux applied to the structure and the oxygen content of the combustion chamber. In addition, the adhesive used in the gluing of the lamellae of the CLT, and the thickness of the lamellae are significant factors influencing carbonization in the CLT. The findings of the fire tests performed in connection with the thesis and supported the findings presented in the literature.

The results of the fire tests were used to investigate how the charring rate used in the fire design of a layered wood structure such as CLT should be determined. In the selection of the charring rate, various models of the development of the charring depth presented in the literature were interpreted. These models were fitted to the same plot of the charring depth plots generated from the results of the fire tests performed in connection with the thesis. Characterization of charring depths provided a deeper understanding of the problems associated with charring rate selection. By analyzing the charring depths produced by the different models, the aim was to find a way of looking at the charring that would produce a safe result from the point of view of structural design. The study showed that if the charring rates were determined for each lamella layer separately, it is challenging to combine one charring rate for all layers that would produce a safe and economical result in terms of structural load-bearing capacity and economy. The study showed that a method based on the propagation of the average charring depth of a layered structure is likely to provide a better solution. However, this second approach was no longer included in this thesis study. However, the results of the thesis serve as a good starting point for further research.