RUOSTUMATTOMASTA TERÄKSESTÄ VALMISTETTUJEN PUURAKENTEIDEN LIITOSTEN PALONKESTÄVYYS

Transkriptio

1 RUOSTUMATTOMASTA TERÄKSESTÄ VALMISTETTUJEN PUURAKENTEIDEN LIITOSTEN PALONKESTÄVYYS Palotutkimuksen päivät T. Oksanen, A. Kevarinmäki, R. Yli Koski. O. Kaitila VTT Esitys perustuu tutkimukseen Ruostumattomalla teräksellä palonkestäviä puurakenteiden liitoksia, joka alkoi 2003 alussa ja päättyi syksyllä Tutkimusta rahoittivat Tekes, Outokumpu Stainless Oy, Wood Focus Oy, Anstar Oy, MiTek Finland Oy, Late Rakenteet Oy, Stalatube Oy ja VTT. Tavoitteena oli kehittää kokeellisesti varmennetut suunnittelumenetelmät ruostumattomasta teräksestä valmistetuille R30 ja R60 paloluokan puurakenteiden liitoksille sekä hyödyntää ruostumattoman teräksen joitakin hiiliterästä parempia ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa

2 Materiaaliominaisuudet Ruostumattoman ja hiiliteräksen termiset ominaisuudet LÄMMÖNJOHTAVUUS ( W/mK ) LÄMPÖTILA ( oc ) hiiliteräs ruostumaton teräs OMINAILÄMPÖKAPASITEETTI ( J/kgK ) LÄMPÖTILA ( oc ) hiiliteräs ruostumatonteräs Kuva 1. Termisten ominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta, Euro Inox & VTT, 2002 ja EN : Ruostumattoman ja hiiliteräksen mekaaniset ominaisuudet reduktiokerroin hiiliteräs min 60 min C Kuva 2. Myötölujuuden riippuvuus lämpötilasta (30 min = kaasun lämpötila 30 min jälkeen, 60 min = kaasun lämpötila 60 min jälkeen); Euro Inox & VTT (2002), teräs :

3 reduktiokerroin hiiliteräs , , ja min 60 min o C Kuva 3. Kimmokertoimen riippuvuus lämpötilasta (30 min = kaasun lämpötila 30 min jälkeen, 60 min = kaasun lämpötila 60 min jälkeen), Euro Inox & VTT (2002) ja EN :2003. Ruostumattoman teräksen lämpölaajenemiskerroin (~18 x 10 6 C) on suurempi kuin hiiliteräksen (12 x 10 6 C) Tutkimuksen sisältö ja toteutus: Liitosten palonkestävyyskokeita koskeva kirjallisuusselvitys Liitoskokeita sekä normaalilämpötilassa että korkeissa lämpötiloissa tappivaarna, pultti, liimatanko ja palkkikenkäliitoksilla sekä uuden tyyppisillä holkkiliitoksilla Koetulosten analysointi Lisäksi naula ja ruuvikokeita Liitosten mallinnusta ja laskentatuloksia Tutkimusprojektin tulokset on julkaistu Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen puurakenteiden liitosten palonkestävyys (VTT Working Papers 29) Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen puurakenteiden liitosten suunnittelu Yleiset ohjeet ja palomitoitus (VTT Working Papers 38) Ruostumattomien terästen mitoitusperusteet puurakenteiden liitoksissa (VTT:n Tiedotteessa 2279)

4 Palkkikenkäliitosten palonkestävyys Tehtiin kaksi koetta suojaamattomilla koekappaleilla, tavoite 30 min Kuvan 4 mukaisella palkkikengällä (t= 2mm) palonkestävyys 22 min (liitettävä palkki 90x270 mm 2 ) Muutettiin palkkikengän muotoa, kasvatettiin liittimien reunaetäisyyksiä, pidennettiin ruuveja (40 mm / 60 mm) ja pienennettiin suhteellista kuormaa (55% / 46% keskipitkän aikaluokan), jolloin palonkestävyys 27 min Murto tapahtui molemmissa tapauksissa naulauksen irrottua sivulta ja sen seurauksena myös päädystä Kuva 4. Palkkikenkäliitos (koe 1) uuniin asennettuna ennen koetta

5 Kuva 5. Palkkikenkä kokeen jälkeen Kuva 6. Palkkikenkäliitos kokeen jälkeen, kun hiiltymä poistettu

6 Tappivaarnaliitokset Tehtiin kaksi suojaamatonta tappivaarnaliitoskoetta teräslevyllisillä 4 leikkeisillä liitoksilla, tavoite 60 min Koe 1: liimapuu L40, puun sisään sijoitetut S355 teräslevyt 8 mm paksuja ja haponkestävät tappivaarnat 24 Ø 12 mm Koe 2: kertopuuta Kerto S, puun sisään sijoitetut haponkestävät teräslevyt (EN ) 6 mm paksuja ja haponkestävät tappivaarnat 31 Ø 10 mm Kuva 7. Tappivaarnaliitoskoekappale liimapuussa

7 Kuva 8. Tappivaarnaliitoskoekappaleet LP liitoksen kuormitusaste oli 0,3 ja se menetti kantavuutensa ajassa 56 min. Murto tapahtui hauraasti. KP liitoksen kuormitusaste oli 0,28 ja se menetti kantavuutensa ajassa 67 min. Murto tapahtui sitkeästi. Teräslevyjen lämpötiloissa ei kovin paljon eroja ennen kuin kokeen lopussa, jolloin liitos alkoi aueta. Teräslevyjen lämpötilat 60 min kohdalla noin o C ja ennen murtoa noin o C. Pelkille tappivaarnoille tehdyissä lämpötilamittauksissa 60 min kohdalla ja 95 mm etäisyydellä puupinnasta lämpötilaksi saatiin haponkestävillä tappivaarnoilla noin 200 o C. Vastaavassa paikassa hiiliterästapeilla lämpötila oli noin 100 o C korkeampi

8 Kumpikin liitos murtui keskimmäisen lamellin puuosan pettäessä. Tappivaarnat pysyivät keskimmäisessä lamellissa suorina eikä teräslevyihin tullut pysyviä muodonmuutoksia. KP liitos murtui sitkeästi liitoksen avautuessa vähitellen kokeen loppuvaiheessa min ajan. Osa tapeista taipui ulompien puiden osalla ja reiät tulivat keskipuussa mm soikeiksi. LP liitos murtui hauraasti tappirivien kohdalle muodostuneiden halkeamien vuoksi. LP liitoksen halkeaminen saattoi johtua teräslevyjen lämpölaajenemisesta aiheutuneista puun poikittaisista vetojännityksistä (tiukat reiät puussa ja teräslevyissä). KPliitoksen teräslevyissä oli hieman väljät reiät ja teräsosat olivat ohuempia Kuva 9. Liimapuun tappivaarnaliitos palon jälkeen

9 Kuva 10. Kertopuun tappivaarnaliitos palon jälkeen KUORMITUSASTEEN VAIKUTUS LIITOKSEN PALONKESTÄVYYTEEN (PL=pultit+teräslevy, P=pultit, PT=pultit+tapit) F1/Nu TIME (min) PL4x12 PL8x12 PL16x12 PL8x20 PL16x20 P8x12 P8x20 PT2+6x12 PT2+6x20 PT4+12x20 Kuva 11. Kuormituksen vaikutus liitoksen palonkestävyyteen hiiliteräksellä

10 Liitoksen lämpötilanlaskenta Liitosten lämpötilan laskentaan käytettiin elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmaa FEMLAB 3.1 ja siihen kytkettävää Heat Transfer Modulea (johtuminen, konvektio, säteily). Mallien geometria tehtiin kaksiulotteisena. Ruostumattoman teräksen termiset ominaisuudet kuten edellä. Puun lämmönjohtavuutena ja ominaisläpökapasiteettina käytettiin lämpötilavälillä o C puun arvoja ja tästä eteenpäin hiilen arvoja. Puun termisistä ominaisuuksista ei kirjallisuudessa ole sellaista yksimielisyyttä kuin teräksen ominaisuuksista. Laskennassa käytetyt arvot saatu muuntamalla Fredlundin, 1988, esittämiä arvoja Laskelmat tehtiin sekä kuivalla puulla että kosteuspitoisuudeltaan 12 %:lla puulla Tappivaarnaliitoksen mallinnus Poikkileikkauksesta mallinnettiin ¼ symmetriareunaehtoja hyväksikäyttäen Yläpinnalla ja oikealla sivulla oli standardipalokäyrän mukainen palorasitus, josta lämmönsiirto tapahtui säteilyn ja konvektion kautta rakenteeseen. Puupinnan emissiivisyytenä käytettiin 0,5 ja rst pinnan emissiivisyytenä 0,4. Konvektiolämmönsiirtokerroin laskennassa oli 25 W/m 2 K

11 ominaislämpö, 12 % kosteus 2000 LÄMMÄNJOHTAVUUS ( W7mK) ominaislämpö, kuiva puu lämmönjohtavuus LÄMPÖTILA ( oc ) lämmönjohtavuus kuiva ominaislämp.12% ominaislämp. kosteus OMINAISLÄMPÖKAPASITEETTI (J/kgK) Kuva 12. Laskennassa käytetyt puun termiset ominaisuudet ISO Tappivaarna 1 12 ISO Teräslevy 12 Tappivaarna Adiabaattinen symmetriareunaehto Kuva 13. Mallinnettu poikkileikkaus

12 Kuva 14. Lämpötilajakauma t = 30 min ja t = 60 min Verrattaessa 60 min kohdalla kertopuisen rsttappivaarnaliitoksen teräslevyn kokeessa mitattuja lämpötiloja ( o C) laskettuihin arvoihin, kokeelliset arvot olivat hiukan korkeampia. Pelkille tappivaarnoille tehdyissä lämpötilamittauksissa 60 min palorasituksen jälkeen lämpötila oli keskimäärin noin 200 o C (etäisyys 95 mm) ja laskennallisesti 240 o C (etäisyys 107,5 mm). Ohjelma ei huomioi hiilikerroksen halkeamista eikä palojen putoamista vaan olettaa hiilikerroksen pysyvän yhtenäisenä

13 Suunnitteluohje Mitoitus perustuu standardoituun lämpötilaaikariippuvuuteen (EN :2003) Ruostumattomien teräsosien mitoituksessa käytetään standardeja EN :2003, EN :2003 sekä julkaisua Euro Inox & VTT (2002) Puuosien mitoituksessa käytetään standardeja EN :2003 ja EN :2003. Lisäksi annetaan erityisohjeita edellä kuvattujen liitosten mitoittamiseen Mahdolliset rakenteen toimintatavassa tapahtuvat muutokset sekä lämpölaajeneminen ja puupoikkileikkauksen hiiltyminen on myös huomioitava. Esimerkkilaskelmia