Lämpötilan vaikutus puun mekaanisiin ja termisiin ominaisuuksiin

Abstract

Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää miten puun mekaaniset ja termiset ominaisuudet muuttuvat lämpötilan funktiona ja mitkä tekijät siihen vaikuttavat. Mekaanisia ominaisuuksia ovat lujuus ja kimmokerroin ja termisiä ominaisuuksia ovat tiheys, lämmönjohtavuus ja ominaislämpökapasiteetti. Tutkimuksessa keskityttiin lämpötiloihin 20–1 200 °C. Lisäksi tutkittiin eri puulajien ominaisuuksien eroavaisuuksia koivun, männyn, kuusen ja haavan välillä. Puun palokäyttäytymisen tunteminen on tärkeää paloturvallisten puurakennusten ja puurakenteiden suunnittelulle ja toteutukselle. Suunnittelijan käyttäessä kehittyneitä laskentamenetelmiä, hänellä tulee olla tieto puurakenteen ominaisuuksista korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi on tunnettava puurakenteen pintaan muodostuvan hiilikerroksen termisten ominaisuuksien muuttuminen, jotta rakenteeseen muodostuva lämpötilajakauma saadaan selville luotettavasti.

Tutkimusmenetelmänä käytetään kirjallisuustutkimusta ja aineistoa kerätään kirjallisena erilaisista puun ominaisuuksiin ja palokäyttäytymiseen liittyvistä artikkeleista. Tutkimuksessa käytettävää aineistoa kerätään tieteellisistä artikkeleista, tutkimuksista, Tampereen yliopiston kirjastosta ja verkkosivuilta. Lisäksi hyödynnetään SFS-EN 1995-1-2 eli Eurokoodi 5, Puurakenteiden palomitoitusta.

Työn tulokseksi saatiin, että lämpötilan noustessa puun mekaaniset ominaisuudet heikkenevät. Heikkeneminen alkaa jo matalissa lämpötiloissa ja tapahtuu nopeasti puun lämpötilan noustessa. Tiheys pienenee, kun puu menettää massaansa pyrolyysin aikana. Lämmönjohtavuus kasvaa hiilikerroksen lämpötilan noustessa. Ominaislämpökapasiteetin arvo kasvaa lyhyeksi ajaksi hyvin korkeaksi noin 100 °C lämpötilassa johtuen puussa olevan veden höyrystymisestä. Tämän jälkeen ominaislämpökapasiteetin arvo pysyy lähes vakiona. Eri puulajien välillä on eroavaisuuksia, mutta ne eivät ole arvollisesti kovin suuria. Puun mekaanisiin ja termisiin materiaaliominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat lämpötila, kosteuspitoisuus, tiheys, aika ja puun luonnolliset ominaisuudet ja niiden vaihtelut.