Finnish Wood Research

Transkriptio

1 PUUKERROSTALON PALOSUUNNITTELUOHJE - TOIMINNALLINEN SUUNNITTELU TAUSTA-AINEISTO Finnish Wood Research

2 (1) SISÄLLYSLUETTELO 1 Johdanto Kirjallisuustarkastelu Puukerrostalojen paloturvallisuutta koskeva kirjallisuus Eri maiden palomääräysten vertailu Palomääräykset ja toiminnallinen palomitoitus yleensä Puun käyttö eri rakenteissa Toimistorakennuksen palokuorman ominaisuudet Varmuuskertoimien arviointi Teoria Palojen esiintymistaajuus ja riskitasot Soveltamisesimerkki: adiabaattinen pintalämpötila Huonepalon lämpötilan laskemisesta Yleistä huonepalon laskentamalleista Lien ja Harmathyn laskentamalli Lasin rikkoutuminen tulipalossa Hiiltymän määrittäminen luonnollisessa palossa Hiiltymän määrittäminen SFS-EN liitteen A mukaisesti Hiiltymän määrittäminen SFS-EN liitteen B mukaisesti Muokatut materiaalimallit Puun palamisesta syntyvä lisäys palokuormaan Palokuorman lisäys EC5:n liitteen A menetelmässä Palokuorman lisäys EC5:n liitteen B menetelmässä Laskentamallien vertailu koetuloksiin Kinjo et al König et al Hakkarainen Yhteenveto vertailusta koetuloksiin Muokattu lämmönjohtavuusmalli Yhteenveto Kipsilevyjen laskennallinen tarkastelu... 73

3 (2) 8.1 Kipsilevy tulipalossa Kipsilevyllä suojattu puurakenne tulipalossa Kehittyneiden laskentamenetelmien käyttö FEM-LASKENNAN VERTAILU POLTTOKOKEISIIN Yleistä Laskennassa käytetyt termiset ominaisuudet Case Case Case Case Yhteenveto vertailuista polttokokeisiin Kehitetty malli Vertailu koetuloksiin Yhteenveto Pelastushenkilöstön turvallisuuden ja toimintamahdollisuuksien tarkastelu Lämpösäteilyn vaikutus Näkyvyys Monte Carlo laskentamenetelmän kuvaus Kirjallisuuslähteet

4 (3) 1 Johdanto Tässä raportissa esitetään Puukerrostalon suunnitteluohjeen tausta-aineisto, jota ei ole esitetty varsinaisessa suunnitteluohjeessa. Raportoin pääpaino on laskennallisessa tarkastelussa. Tämän lisäksi kappaleessa 2 käydään tarkemmin läpi myös kirjallisuustarkastelu sekä eri maiden palomääräysten vertailu. Laskennallisissa tarkasteluissa esitetään huonepalon olennaisten ominaisuuksien, lämpötila ja ajallinen kesto, määrittämisen tietoja ja menetelmiä. Tämän lisäksi on esitetty hiiltymän määrittäminen luonnollisessa palossa sekä kipsilevyn suojausvaikutuksen laskennallinen tarkastelu. Näiden lisäksi käsitellään asioita, joiden määrällistä tarkastelua ei löydä alan oppikirjoista eikä ohjeista. Ne ovat varmuuskertoimen määrittäminen ja pelastushenkilökunnan toimintaedellytyksien ja turvallisuuden arviointi. Raportti on hyvin tekninen ja sen tarkoitus on toimia Puukerrostalon palosuunnitteluohjeen toiminnallinen suunnittelu tausta-aineistona.

5 (4) 2 Kirjallisuustarkastelu Kappaleessa 2.1 on tarkasteltu puukerrostalojen paloturvallisuutta koskevaa kirjallisuutta ja kappaleessa 2.2 on tarkasteltu eri maiden kansallisia palomääräyksiä puukerrostalorakentamisen kannalta. Tulokset on esitetty kappaleessa 2.3. Pääpaino on Pohjoismaissa ja Euroopassa mutta myös muiden maiden määräyksiä on tarkasteltu. Monissa maissa palomääräykset muodostavat suurimman esteen puun käytölle rakennuksissa. Eurooppalaiset standardit sisältävät lähinnä harmonisoituja menetelmiä rakenneosien käyttäytymisen osoittamiseksi teknisesti. Palomääräykset puolestaan kuuluvat kansalliseen lainsäädäntöön. Kappaleen 2.2 tuloksia tarkasteltaessa on syytä ottaa huomioon, että monessa tapauksessa ne ovat yksinkertaistuksia monimutkaisemmista vaatimuksista. Kuten lähteessä [1] todetaan; rakennusmääräykset ovat monimutkaisia dokumentteja, joiden yksinkertaistaminen voi johtaa vääriin tulkintoihin. Seuraava tarkastelu on tarkoitettu antamaan suuntaviivoja eri maiden määräyksistä. Todellisissa kohteissa on aina syytä perehtyä paikallisiin määräyksiin. 2.1 Puukerrostalojen paloturvallisuutta koskeva kirjallisuus Monet organisaatiot eri alueilta ovat laatineet suunnitteluohjeita liittyen puukerrostalojen rakentamiseen ja puurakennusten paloturvallisuuteen. Lähteen [2] mukaan ne ovat tyypillisesti keskittyneet vain jompaankumpaan eli puukerrostalojen paloturvallisuus on vähemmän käsitelty aihe. Seuraavassa luetellaan esimerkkejä aiheeseen liittyvästä viimeaikaisesta kirjallisuudesta. Jokainen mainittu teos sisältää suuren määrän kirjallisuuslähteitä joiden avulla on mahdollista löytää halutusta aiheesta mahdollisimman paljon tietoa. Ennen teosta on mainittu maa tai maat joiden lähtökohdista (rakentamistapa, normit) teos on tehty. Tuoreina esimerkkeinä eri maissa tehdyistä raporteista liittyen puukerrostalorakentamiseen voidaan mainita: Kanada: The CASE FOR Tall Wood BUILDINGS, 2012 [3] (240 sivua) Alankomaat: Tall Timber Buildings Feasibility Study [4] (281 sivua) Edellä mainituissa raporteissa jokaisessa käsitellään monia puukerrostaloihin liittyviä teknisiä kysymyksiä (mm. rakennejärjestelmä, liitokset, akustiikka) mukaan lukien paloturvallisuus. Puurakennusten paloturvallisuutta käsittelevää kirjallisuutta on mm.: Eurooppa: Fire safety in timber buildings, 2010 [5] (211 sivua) Ruotsi / Pohjois- ja Baltian maat: Brandsäkra trähus 3, 2012 [9] Kuten aiemmin mainittiin, puukerrostalojen paloturvallisuutta käsittelevä kirjallisuus on

6 (5) varsin vähäistä. Seuraava teos aihepiiriin liittyen kuitenkin löytyi: USA, Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings, 2013 [2] (162 sivua) 2.2 Eri maiden palomääräysten vertailu Palomääräykset ja toiminnallinen palomitoitus yleensä Tässä kappaleessa on esitetty WoodWisdom-Net [6] projektissa esitetyn kyselyn tuloksia liittyen toiminnalliseen palomitoitukseen rakennusmateriaalista riippumatta. Seuraavat 14 maata olivat kyselyssä mukana (lyhenne suluissa): Itävalta (AT), Tshekki (CZ), Viro (EE), Suomi (FI), Ranska (FR), Saksa (DE), Italia (IT), Latvia (LV), Alankomaat (NL), Puola (PL), Espanja (ES), Ruotsi (SE), Sveitsi (CH), Iso-Britannia (GB). Kuvan 2.1 vasemmalla puolella on esitetty palomääräysten laillinen asema (laki, asetus tai ei laillista asemaa) ja oikealla puolella oikeudellinen elin joka on vastuussa palomääräyksistä. Kuva 2.1. Palomääräysten laillinen asema (vasemmalla) ja palomääräyksistä vastuussa oleva elin (oikealla). Kuvassa 2.2 vasemmalla on esitetty tarkasteltujen palomääräysten luonne; ohjaavatko ne ns. taulukkomitoitukseen, toiminnalliseen palomitoitukseen vai sisältävätkö ne molempia. Kuvan 2.2 oikealla puolella on esitetty kuinka yleistä paloteknisten erityissuunnittelijoiden käyttö on rakennushankkeissa.

7 (6) Kuva 2.2. Palomääräysten luonne (vasemmalla) ja paloteknisten suunnittelijoiden käyttö kaikissa rakennuskohteissa(oikealla) Puun käyttö eri rakenteissa Tässä kappaleessa vertaillaan 28 maan palomääräyksiä siten, että kuvissa esitetään kuinka monikerroksisen puukerrostalon rakentamisen kyseisen maan lainsäädäntö mahdollistaa seuraavissa tapauksissa: Kantavat rakenteet ovat puuta (sprinklattu / ei sprinklattu) Julkisivut ovat puuta (sprinklattu / ei sprinklattu, suojattu / suojaamaton puu) Sisäseinät ja katot sekä lattiat puuta (sprinklattu / ei sprinklattu, suojattu / suojaamaton puu, poistumistiet / muut kuin poistumistiet) Seuraavassa on listattu lähteet joista tiedot on saatu siinä järjestyksessä, että ensin on ilmoitettu eniten käytetyt lähteet: Kantavat rakenteet: [7,1,8] Muut kuin kantavat rakenteet: [1,8,9] Tarkastellut 28 maata jaettiin kuviin seuraaviin kuuteen ryhmään: Ryhmä 1: Suomi, Ruotsi, Norja, Tanska, Islanti Ryhmä 2: Saksa, Alankomaat, Belgia, Puola Ryhmä 3: Itävalta, Sveitsi, Tshekki, Slovakia, Unkari Ryhmä 4: Iso-Britannia, Irlanti, Ranska, Espanja, Portugali Ryhmä 5: Italia, Slovenia, Kreikka, Romania Ryhmä 6: USA, Kanada, Australia, Uusi-Seelanti, Japani

8 (7) Kantavat rakenteet ja julkisivut Kuvissa on esitetty kaikkien tarkasteltujen maiden lainsäädännön mahdollistama maksimikerrosluku kun rakennuksen kantavat rakenteet tai julkisivut ovat puuta. Sprinklauksen vaikutus on otettu huomioon molemmissa tapauksissa ja puun suojauksen vaikutus on otettu huomioon julkisivun tapauksessa. Kuva 2.3. Ryhmän 1 maiden vertailu kantavien rakenteiden ja julkisivujen osalta. Kuva 2.4. Ryhmän 2 maiden vertailu kantavien rakenteiden ja julkisivujen osalta.

9 (8) Kuva 2.5. Ryhmän 3 maiden vertailu kantavien rakenteiden ja julkisivujen osalta. Kuva 2.6. Ryhmän 4 maiden vertailu kantavien rakenteiden ja julkisivujen osalta.

10 (9) Kuva 2.7. Ryhmän 5 maiden vertailu kantavien rakenteiden ja julkisivujen osalta. Kuva 2.8. Ryhmän 6 maiden vertailu kantavien rakenteiden ja julkisivujen osalta.

11 (10) Sisäpinnat muualla kuin poistumisteillä Kuva 2.9. Ryhmän 1 maiden vertailu sisäpintojen osalta muualla kuin poistumisteillä. Kuva Ryhmän 2 maiden vertailu sisäpintojen osalta muualla kuin poistumisteillä.

12 (11) Kuva Ryhmän 3 maiden vertailu sisäpintojen osalta muualla kuin poistumisteillä. Kuva Ryhmän 4 maiden vertailu sisäpintojen osalta muualla kuin poistumisteillä.

13 (12) Kuva Ryhmän 5 maiden vertailu sisäpintojen osalta muualla kuin poistumisteillä. Kuva Ryhmän 6 maiden vertailu sisäpintojen osalta muualla kuin poistumisteillä.

14 (13) Sisäpinnat poistumisteillä Kuva Ryhmän 1 maiden vertailu sisäpintojen osalta poistumisteillä. Kuva Ryhmän 2 maiden vertailu sisäpintojen osalta poistumisteillä.

15 (14) Kuva Ryhmän 3 maiden vertailu sisäpintojen osalta poistumisteillä. Kuva Ryhmän 4 maiden vertailu sisäpintojen osalta poistumisteillä.

16 (15) Kuva Ryhmän 5 maiden vertailu sisäpintojen osalta poistumisteillä. Kuva Ryhmän 6 maiden vertailu sisäpintojen osalta poistumisteillä. 2.3 Tulosten tarkastelua Kuvista 2.1 ja 2.2 nähdään että tarkastelluissa tapauksissa palomääräykset olivat useimmiten asetuksia joista paikallinen ministeriö on vastuussa. Yli puolet tarkastelluista palomääräyksistä mahdollistivat toiminnallisen palomitoituksen ja kolmessa tapauksessa (Italia, Alankomaat ja Ruotsi) se oli jopa pääasiallinen mitoitustapa. Paloteknisen suunnittelun käyttö on suurimmassa osassa tutkittuja maita luokkaa 0-2 % kaikista rakennuksista, lukuun ottamatta Saksaa, Iso-Britanniaa ja Italiaa, joissa toiminnallinen palomitoitus on tarkastelluista maista eniten käytössä. Vastauksista kävi myös ilmi, että toiminnallista palomitoitusta käytetään yleensä vain erikoisimmissa kohteissa ja kohteissa jotka ovat taulukkomitoituksen soveltuvuusalueen ulkopuolella.

17 (16) Suurimmassa osassa vastanneita maita toiminnalliseen palomitoitukseen ei ole riittävästi opastusta tarjolla. Ainoastaan Saksan ja Iso-Britannian vastaajien mielestä opastusta löytyy riittävästi. Suurimmassa osassa vastanneita maita käytetään paloturvallisuussuunnitteluun erikoistuneita suunnittelijoita, mutta suunnittelijoiden pätevyyden arvioimiseksi ei monesti ollut virallista järjestelmää, kuten Suomessa FISE Oy. Eri maiden palomääräysten yksiselitteinen vertailu on hyvin vaikeaa. Kappaleiden perusteella voidaan kuitenkin tehdä karkeita vertailuja kuinka tiukkoja eri maiden palomääräykset ovat taulukkomitoitusta käytettäessä puurakentamisen osalta. Käytetään tässä tarkastelussa seuraavia kriteerejä arvioitaessa lainsäädännön tiukkuutta eri maissa: 8 kerroksisen puukerrostalon kantavat rakenteet voivat olla puuta 8 - kerroksisen puukerrostalon julkisivut voivat olla puuta 8 - kerroksisen puukerrostalon sisäpinnat muualla kuin poistumisteillä voivat puuta Tarkastelluista 28 maasta seuraavat 10 täytti kaikki edellä mainitut kriteerit: Suomi, Ruotsi, Norja, Islanti, Alankomaat, Iso-Britannia, Irlanti, Espanja, Slovenia, Kreikka Maat, jotka eivät täyttäneet yhtään kolmesta kriteeristä olivat: Tanska, Puola, Itävalta, Tshekki ja Japani Edellä mainitun perusteella voidaan todeta, että Suomen ja muiden pohjoismaiden (pl. Tanska) palomääräykset mahdollistavat puun käytön kerrostalojen rakenteissa suhteellisen hyvin verrattuna muihin tarkasteltuihin maihin.

18 (17) 3 Toimistorakennuksen palokuorman ominaisuudet 3.1 Paloteho Palotehotietoja esitetään viitteissä [10, 11]. Niiden synteesi tehdään jäljempänä. Ikehata, Y., Kasahara, I., Satoh, H., Kurioka, H., Kakegawa, S. & Yashiro, Y A Study on Design Fires for Occupant Safety in Office Surroundings. 6th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology. March 17 20, 2004, Daegu, Korea. Kakegawa, S., Yashiro, Y., Satoh, H., Kurioka, H., Kasahara, I., Ikehata, Y., Saito, N. & Turuda, T Design Fires for Means of Egress in Office Buildings based on Full-scale Fire Experiments. FIRE SAFETY SCIENCE--PROCEEDINGS OF THE SEVENTH INTERNA- TIONAL SYMPOSIUM, pp Palokuorman tiheys Palokuorman tiheyttä voidaan arvioida ainakin seuraavia lähestymistapoja käyttäen: palokuorman tiheyttä koskevien tilastotietojen perusteella, käyttäen standardeissa ja ohjeissa esitettyjä tietoja perustuen polttokokeissa mitatusta palotehosta määritetyn kyseisessä kokeessa palamisessa vapautuneen kokonaisenergian määrään, rakennuksen pohjapiirrosten ja sinne kaavailtua sisustusta koskevien tietojen perusteella. Ensimmäinen kohta: todellisista kohteista määritettyä tietoa määritysmenetelmissä sisältävät merkittävän systemaattisen virheen lähteen [12], otoksen painottumisen vuoksi tieto voi usein olla biasoitunutta (vääristynyttä) esimerkiksi siten, että opiskelijan lopputyössä esitetty aineisto sisältää paljon oppi- ja tutkimuslaitosten tietoja, kirjallisuudessa esitetyt tulokset koskevat menneitä aikoja ja muita maita. Toinen kohta: periaatteessa oikein miellyttävä tietolähde, joka kertoo, mitä suunnittelijan tulee tehdä, tietojen alkuperä jää usein piiloon samoin kuin esitettyjen tietojen valinnassa vaikuttaneet tekijät. Toiseksi viimeisenä mainitun tavan hyvä puoli on se, että hyvin suunniteltu ja toteutettu polttokoe kuvaa varsin hyvin oikeaa palotapahtumaa ja siten voidaan olettaa, että tuollaisesta kokeesta määritetyt palotekniset suureet vastaavat ainakin suhteellisen hyvin tarkasteltavan kohteen todellisessa tulipalossa ilmeneviä suureita. Lähestymistavan

19 (18) yleispätevyyttä rajoittaa kuitenkin se, että huolellisesti monitoroituja ja raportoituja riittävän suuren mittakaavan polttokokeita ei yleensä ole kuin pieni määrä. Toimistorakennuksille tällaisia kokeita on kuitenkin tehty useita johtuen mm. siitä, että USA:ssa National Institute of Standards and Technology (NIST) sai Yhdysvaltojen liittovaltiolta varsin merkittävän rahoituspanoksen tuhoutuneiden World Trade Center -toimistotalojen sortumissyiden selvittämiseen ja niistä tehtävissä olevien yleisten turvallisuusohjeiden kehittämiseen. Viimeisen lähestymistavan hyvä puoli on, että se koskee nimenomaan tarkasteltavaa kohdetta. On selvää, että kohdetta ei välttämättä sisusteta alustavien arkkitehtikuvien mukaisesti ja että ajan kuluessa sisustus tulee muuttumaan. Nämä tekijät voidaan ottaa huomioon käyttämällä numeerista otostekniikkaa, jossa syötetietojen pistearvojen sijasta käytetään sopivalla tavalla valittuja jakaumia, esimerkiksi antamalla syötetietona syötetiedon odotettavissa oleva vaihteluväli. Ongelmana luonnollisestikin on sopivien jakaumien ja odotettavissa olevien vaihteluiden määrittäminen. 3.3 Palokuorman tiheyden tietoja ja niiden analysointi Tilastotiedot: Toimistorakennuksien palokuorman tiheyttä on tutkittu lukuisissa tutkimuksissa. Tässä yhteydessä tarkastellaan seuraavia: Baldwin, R. ym. Law, M., Allen, G., and Griffiths, L. G Survey of Fire-Loads in Modern Office Buildings Some Preliminary Results. London: MINISTRY OF TECHNOLOGY AND FIRE OFFICES' COMMITTEE. Joint Fire Research Office. Fire Research Note No Tämän tutkimuksen tietojen perusteella muodostettu jakauma esitetään kuvassa A1a. Culver, C. & Kushner, J A Program for Survey or Fire Loads and Live Loads in Office Buildings. NBS Technical Note 858, National Bureau of Standards, Gaithersburg, MD. (Kuva A1b). Pettersson, O., Magnusson, S.E. & Thor, J Fire Engineering Design of Steel Structures. Stockholm: Swedish Institute of Steel Construction. Bulletin 50 (1976). (Kuva A1c). Narayanan, P Fire Severities for Structural Fire Engineering Design. StudyReport No. 67. New Zealand: Building Technology Ltd. (BRANZ). Opinnäytetyö. (Kuva A1d). Kumar, S. & Rao, C. V. S. K Fire Loads in Office Buildings. Journal of Structural Engineering, Vol. 123(3), pp (Kuva A1e). Korpela, K Toimistorakennusten palokuormat. Diplomityö. Es-poo. Teknillinen Korkeakoulu. Inventaariomenetelmä, mukana toimistohuoneiden lisäksi arkistoja ja kirjastohuoneita. Opinnäytetyö. (Kuva A1f). Harada, K., Ohmiya, Y., Nanbu, A. & Nakamichi, A Technical Basis on Structural Fire Resistance Design In Building Standards Law Of Japan. Second International Workshop Structures in Fire. New Zealand, Christchurch, March 2002, s (Kuva A1g).

20 (19) Thayvoye, C., Zhao, B., Klein, J. & Fontana, M Fire load survey and statistical analysis. Fire safety science Proceedings of the 9th international symposium , IAFSS. Tiedot kerätty ranskalaisessa haankkeessa Projet National pour l Ingénierie de la Sécurité Incendie agreed by the French Réseau Génie Civil & Urbain (PNISI: National Project for Fire Safety Engineering) vuosina (Kuva A1h). Zalok, E Validation of Methodologies to Determine Fire Load for Use in Structural Fire Protection. Quincy, MA, USA: The Fire Protection Research Foundation. National Fire Protection Association, NFPA. Final Report. Tässä tutkimuksessa selvitettiin palokuorman tiheyden määrittämisen eri menetelmien tuottamien tulksien eroavuuksia. (Kuva A1i). Huom: Kuvassa A1i esitetyt jakaumat perustuvat Zalokin raportin kuvissa esitettyihin arvoihin, koska raportin lukuarvoina esitetyt tulokset eivät vastaa kuvissa esitettyjä ja niiden mukaan laaditut jakaumat ovat aivan ilmeisesti virheellisiä.

21 (20) a) b) c) d) e) f) g) h) i) Kuva 3.1. Toimistorakennusten palokuorman tiheyden tilastotutkimusten tuloksia: a) Baldwin ym. (1970), b) Culver & Kushner (1975), c) Pettersson ym. (1976), d) Narayanan (1994), e) Kumar & Rao (1997), h) Thayvoye (2008) ja i) Zalok (2011).

22 Kuva 3.2. Toimistorakennusten palokuorman tiheyden tilastotutkimusten tulosten jakaumien tunnuslukuja: avg = keskiarvo, p % = jakauman arvoa p vastaava fraktiili. (21)

23 (22) = lopputulos Kuva 3.3. Välin 5 % - 95 % ulkopuolisten tutkimustulosten poistaminen aineistosta.

24 (23) Kuva 3.4. Toimistorakennusten palokuorman tiheyden tilastotutkimusten tulosten yhteenvetojakauma. Standardeissa ja ohjeissa esitettyjä tietoja Standardeissa ja ohjeissa esitetään seuraavia tietoja toimistorakennuksien palokuorman tiheydelle: Eurocode SFS-EN : Gumbel-jakauma, jonka tunnuslukuja ovat keskiarvo = 420 MJ/m 2 ja 80 % fraktiiliarvo = 511 MJ/m 2 ; CIB (1983) (International Council for Building Research Studies and Documentation) [13]: jakauma, jonka tunnuslukuja ovat keskiarvo = 420 MJ/m 2 sekä 80 %, 90 % ja 95 %:n fraktiiliarvot = 570 MJ/m 2, 670 MJ/m 2 ja 760 MJ/m 2 ;

25 (24) a) b) c) Kuva 3.5. Standardeissa ja ohjeissa esitettyjä tietoja toimistorakennusten palokuorman tiheyden jakaumasta: a) Eurocode SFS-EN ja b) CIB (1983) sekä nämä yhdistämällä saatu jakauma. Polttokokeiden tulosten perusteella määritetty palokuorman tiheys Kun edellä esitetyt polttokokeiden tulokset analysoidaan palokuorman tiheydeksi, saadaan tulokseksi kuvassa A6 esitetty jakauma. Kuva 3.6. Toimistorakennusten palokuorman tiheyden polttokokeiden tuloksien perusteella muodostettu yhteenvetojakauma.

26 (25) Kohteen arkkitehtisuunnitelmien perusteella määritetty palokuorman tiheys Joissain tapauksissa kohteen arkkitehtisuunnitelmien perusteella voidaan muodostaa arvio palokuorman tiheyden jakaumalle. Tämä on kohdekohtainen yksityiskohtainen tarkastelu eikä sitä esitetä tässä yhteydessä. 3.4 Toimistorakennuksen palokuorman tiheys: yhteenveto Edellä esitettyjen palokuorman tiheyden määrittämismenetelmien tulosten yhteenveto esitetään kuvissa A8 ja A9. Lopputuloksen mukaan toimistorakennuksen palokuorman tiheyden jakauman keskeiset tunnusluvut ovat pyörein luvuin ilmaistuna seuraavat: keskimääräinen arvo on noin 440 MJ/m 2, 80 %:n fraktiiliarvo on noin 600 MJ/m 2, 90 %:n fraktiiliarvo on noin 690 MJ/m 2 ja 95 %:n fraktiiliarvo on noin 770 MJ/m 2. Kuva 3.7. Toimistorakennusten palokuorman tiheyden tilastotutkimusten tulosten jakaumien tunnuslukuja: avg = keskiarvo, p % = jakauman arvoa p vastaava fraktiili.

27 Kuva 3.8. Toimistorakennuksen palokuorman tiheyden jakauma. (26)

28 (27) 4 Varmuuskertoimien arviointi 4.1 Teoria Kuvatkoon satunnaissuuretta S tiheysfunktio fs(s) ja satunnaissuuretta R tiheysfunktio fr(r), ks. kuva A1a. Vastaavat kertymäfunktiot olkoot FS(s) ja FR(r). 1) a) b) Tiheysfunktiot f S (x) f SR (s,r) S Kuva 4.1. a) S:n ja R:n jakaumat (tiheysfunktiot) ja b) niiden yhteisjakauma. Olkoon S ja R tilastollisesti riippumattomia. Tällöin niiden yhteisjakauman tiheysfunktio on fsr( s, r) fs ( s) f R( r). (4.1) Kuvassa 4.1a esitettyjen jakaumien yhteisjakauman tiheysfunktio esitetään kuvassa 4.1b. s Kuvan 4.1a tapauksessa turvallista tilanne vastaa se, kun satunnaismuuttujan R saamat arvot r ovat suurempia satunnaismuuttujan S saamat arvot s. Tämä on voimassa lähes aina, muttei kuitenkaan ehdottomalla varmuudella: vaikka pääosa R:n arvojen todennäköisyysmassasta on selvästi S:n arvojen todennäköisyysmassan pääosan oikealla puolella, on osa r:n arvoista pienempiä kuin s-arvot. Ei-toivottujen, turvattomien tilanteiden todennäköisyys Pfailure on se yhteisjakauman alue, jolla r - s < 0. Se voidaan laskea muuttujien yhteisjakaumasta seuraavasti P failure r P( R S 0) dr ds f ( s, r). (4.2) SR 1) Kertymäfunktion F(x) määritelmä on: F(x) = P(X x). Se on siis todennäköisyys, että satunnaismuuttuja X on arvoltaan pienempi kuin luku x. Kertymäfunktio saadaan tiheysfunktiosta integroimalla: x F x) f ( x) dx (.

29 (28) Tämä on yleinen lauseke, jota voidaan soveltaa aina. Tilastollisesti riippumattomille satunnaismuuttujille tähän voidaan sijoittaa lauseke (B1), jolloin saadaan tulos P failure P( R S 0) dr ds f ( s, r) dr ds f ( s) f ( r) drf ( r) f ( r) (4.3) r SR Ei-toivotun tapahtuman todennäköisyyden laskenta kaavan (B3) avulla voi olla työlästä ja vaatii usein numeerista laskentaa. r S R S R Monesti S:n ja R:n jakaumat ovat normaalijakaumia tai niiden voidaan hyvällä tarkkuudella approksimoida olevan normaalijakautuneita: S N(x; S, S) R N(x; R, R) (4.4) Tässä tapauksessa todennäköisyyden Pfailure laskenta sujuu yksinkertaisesti ilman, että tarvitsee turvautua integrointiin. Syy tähän on se, että tässä tapauksessa myös erotus on normaalijakautunut. Sen keskiarvo Z ja hajonta Z ovat Todennäköisyyden Pfailure arvo on P failure eli Z:n jakauman arvo 0:ssa. Z Z = R - S (4.5) Z R 2 S S 2 R (4.6) P R S 0) P( Z 0) F (0), (4.7) ( Z 4.2 Palojen esiintymistaajuus ja riskitasot Tässä kappaleessa esitetään arvio sallittavissa olevalle rajatilan ylittymisen todennäköisyyden Pfailure arvolle. Laskettujen riskitasojen merkittävyyden arvioinnissa käytetään Tillanderin & Keski-Rahkosen VTT-raportissa [14] esitettyjä arvioita, joiden mukaan tapaus, jonka esiintymistaajuus on kerran vuodessa luokittuu ryhmään epätodennäköinen, tapaus, jonka esiintymistaajuus on kerran vuodessa luokittuu ryhmään erittäin epätodennäköinen, tapaus, joka esiintyy harvemmin kuin kerran vuodessa on harvinaisempi kuin erittäin epätodennäköinen ja siksi sitä pidetään niin harvinaisena, että sitä ei tarvitse ottaa rakennuksen tavanomaisessa palosuunnittelussa huomioon.

30 (29) Tulipalon syttymisen esiintymistodennäköisyys määritetään VTT:n ja Pelastusopiston [15] määrittämien eri käyttötavan kohteiden syttymistaajuustiheyden f [syttymää per vuosi per kerrosneliömetri] perusteella, joka esitetään kuvassa B7. Kun kohteen kerrosalalle käytetään pyöristettyä lukua Af = 1800 m 2, on syttymistaajuustiheys f = 6, a -1 m -2 ja syttymistaajuus f = A f = 1, a -1 [syttymää per vuosi], joka tulipalojen syttymisen toistumisaikana vastaa arvoa kerran 88 vuodessa. Tässä raportissa tarkasteltavat palot ovat sellaisia, jotka syttymän jälkeen pääsevät kehittymään siten, että palo kasvaa nopeasti mitoituspalojen kokoiseksi eli varsin suureksi. Kaikki syttymät eivät kuitenkaan kehity näin, vaan suurempi osa paloista jää syystä tai toisesta pieneksi esimerkiksi siksi, että palo tukahtuu itsestään tai tulee sammutetuksi alkusammutuskalustolla. Viitteen [15] mukaan kokoontumistiloissa alkusammutuksen onnistumisprosentti on 34 %. Jos lisäksi oletetaan, että jostain muusta syystä kuin alkusammutuksen vuoksi noin kolmannes paloista ei kehity mitoituspalojen kaltaisiksi, saadaan arvio, että mitoituspalojen kaltaisten suurten palojen osuus syttymistä on noin kolmannes. Tällöin mitoituspalojen esiintymistaajuus on siis noin kerran 250 vuodessa. Kun mitoitusfraktiilina käytetään arvoa 97,5 % tai 2,5 % eli kerran neljästäkymmenestä palosta esiintyvää tilannetta, on mitoitustilanteen esiintymistodennäköisyys kerran = vuodessa. Tämä on em. Tillanderin ja Keski-Rahkosen esittämä raja-arvo huomioon otettavien ja tarkasteluista liian harvinaisina poisjätettävien tilanteiden välillä. Kuva 4.2. Tulipalon syttymistaajuustiheyden riippuvuus kerrosalasta [15]. 4.3 Soveltamisesimerkki: adiabaattinen pintalämpötila FDS5-ohjelman validointiraportissa esitetään kuvassa B2 esitetty tulos, joissa verrataan FDS5-ohjelmalla laskettuja pintalämpötiloja mitattuihin arvoihin [16]. Tuloksen jakauma on normaalijakauma, jonka keskiarvo ja keskihajonta ovat Z 0,01, (4.8) Z 10% Kun keskiarvon vääristymä (bias), 0,01, otetaan huomioon keskihajonnassa, on jakauma likimäärin

31 (30) Z 0,0, (4.9) Z 9% Kun kriittinen lämpötila, johon laskettua adiabaattista lämpötilaa verrataan, on noin 600 o C = 873 K (ks. liite F), on lämpörasituksia koskevan Monte Carlo -analyysin (kuva B3) antama 97,5 % fraktiilia (Pfailure = 2,5 %) vastaava adiabaattisen lämpötilan mitoitusarvo 800 K eli noin 530 o C. Varmuuskertoimen arvo saadaan tekijöiden kriittisen lämpötilan ja adiabaattisen lämpötilan mitoitusarvon suhteesta Tcr 873 S 1,09. (4.10) T 800 AST,d Kuva 4.3. FDS5-ohjelmalla laskettujen pintalämpötilojen arvojen vertaaminen Ruotsissa SP:ssä tehdyissä kokeissa mitattuihin arvoihin.

32 (31) Kuva 4.4. Kriittistä lämpötilaa ja mitoittavaa adiabaattista pintalämpötilaa vastaavien lämpörasitusten erotuksen jakauma, kun varmuuskerroin on 1,08.

33 (32) 5 Huonepalon lämpötilan laskemisesta 5.1 Yleistä huonepalon laskentamalleista Hotellin huoneet ovat suhteellisen pieniä, noin m 2. Tämän kokoisten huoneiden tulipaloista on tehty lukuisia kokeita jo pitkään, ainakin 1950-luvulta lähtien, jolloin Kawagoe [17] esitti jo klassiseksi tulleen kaavansa ilmanvaihdon rajoittaman palon palamisnopeudelle 2). On olemassa myös lukuisa joukko tietokonemalleja vyöhykemalleista CFD-malleihin (esim. palonsimulointiohjelma FDS [18, 19, 20, 21]), joilla kaikilla voidaan arvioida huonepalon lämpötilaa. Tästä huolimatta huonepalojen lämpötilan kehittymisen laskenta on vielä tänäkin päivänä haasteellista mm. seuraavista syistä Paloalan standardisointityössä, esimerkiksi Eurocode-normeissa, palataan toistuvasti varsin vanhoihin malleihin, kuten Eurocode-normin SFS-EN [22, 23] liitteen A ns. huonepalon lämpötilan kehityksen parametrinen malli ja liitteen B ulkoisen palon malli, jotka molemmat on kehitetty 1970-luvulla. Siksi on tärkeää tietää, mitä oletuksia ja yksinkertaistuksia nuo mallit sisältävät, miten niiden tulokset suhtautuvat koetuloksiin ja miten suuria epävarmuuksia niillä laskettuihin tuloksiin sisältyy. Kehittyneempien palomallien käyttämisessä on keskeistä syötetietojen oikeellisuus, johon liittyy myös noiden tietojen vaihtelevuuden tietäminen. Lisäksi esimerkiksi FDS-ohjelman versiossa 5 lämmönsiirto palokaasuista huoneen reunapintoihin lasketaan luotettavasti ja hyvällä tarkkuudella, mutta palon hiipumisvaiheessa tapahtuva lämmönsiirto kuumista reunapinnoista viilenevään kaasuun ei välttämättä tule kuvatuksi riittävän hyvin, koska mallissa reunapintojen termisen inertian kuvaaminen vaatii soveliaiden parametriarvojen hakemista, jotka voivat poiketa materiaalin todellisista fysikaalisista lämpöteknisistä ominaisuuksista 3). Olipa huonepalon lämpötilan Tg laskentamalli mikä hyvänsä, sen tulosten käyttö palonkestävyyden arvioinnissa on aina herkkä tehdyille oletuksille mikä johtuu siitä, että täysin kehittyneen huonepalon lämpötiloissa rakenteita kuumentava lämpövuo muodostuu pääasiallisesti lämpösäteilystä q" rad, joka on verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin, q T. Näin esimerkiksi noin 8 4 %:n " rad g suuruinen lämpötilan muutos 1050 o C:sta 1150 o C:een aiheuttaa 33 %:n suuruisen muutoksen lämpösäteilyn lähdetermiin. 2) Ensimmäisenä tämän mallin lienee kuitenkin kehittänyt Moskovan Tiedeakatemian prof. Ptchelintsev 1950-luvun alkupuolella. 3) FDS-ohjelman pääkehittäjä Kevin McGrattan on jo pitkään ollut tietoinen tästä seikasta ja allekirjoittanut keskusteli asiasta hänen vieraillessaan VTT:llä vuonna FDS-ohjelman kehittämisessä on kuitenkin paljon tehtäviä ja kun kehittäjäjoukko on pieni, niin asioita pitää priorisoida.

34 (33) 5.2 Lien ja Harmathyn laskentamalli ja 70-luvuilla palonkestävyyden tutkimuksen keskukset olivat Kanadassa ja Ruotsissa. Keskeinen tutkimuksen kohde oli huonepalon lämpötilan kehittymisen kokeellinen tutkimus ja mallintaminen. Ruotsissa tätä työtä tekivät Pettersson, Thelandersson ja Magnusson ja Kanadassa Harmathy ja Lie. Nämä tutkijat kilpailivat keskenään ja kommentit toisten töistä olivat ajoittain kirpeitäkin. Euroopassa Pettersonin malli tuli yleisemmäksi mm. siksi, että se esitetään Dougal Drysdalen kirjoittamassa lähes klassikoksi muodostuneessa palotekniikan oppikirjassa [24]. Tuo malli otettiin mukaan myös Eurocode-kehitysohjelmaan, jossa ruotsalaisten käyrinä ja taulukoina esittämä malli [25, 26] muunnettiin matemaattisiksi kaavoiksi. Kun 60- ja 70-luvuilla työ oli varsin puhdasta tieteellistä ponnistelua, niin Eurocode-kehitystyö kustannettiin pääasiallisesti teollisuuden rahoituksella, mistä valitettavasti seuraa lieveilmiöitä. Tästä esitetään esimerkki alla olevassa kuvassa, joka liittyy prof. Franzenin tekemään mallin muokkaustyöhön [27]. Kuva 5.1. Esimerkki Eurokoodia varten tehdyistä muutoksista Pettersonin ym. alkuperäiseen malliin. Lie ym. kehittivät mallinsa matemaattisten lausekkeiden muotoon [28, 29, 30, 31, 32]. Se on varsin helppokäyttöinen ja kuvaa koetuloksia erittäin hyvin, niin kuin kuva D2 osoittaa.

35 (34) 77 m 2, Cardingtonin British Steel -koe [33], 80 m 2, Cardingtonin Euroconnection test [34] 20 m 2, ETH Zürich [35] 16 m 2, VTT, Hakkarainen [36], koe 1 16 m 2, VTT, Hakkarainen [36], koe 2 16 m 2, VTT, Hakkarainen [36], koe 3 16 m 2, VTT, Hakkarainen [36], koe 4 16 m 2, Blomqvist, ym. [37], koe 1

36 (35) 16 m 2, Blomqvist, ym. [37], koe 2 16 m 2, Blomqvist, ym. [37], koe 3 VTT:n julkisivukoelaitteella tehty koe [38] Kuva 5.2. Huonepalon laskentamallin validointi.

37 (36) 6 Lasin rikkoutuminen tulipalossa Taulukko 6.1. Mitattuja huonepalon kaasun lämpötiloja huoneen ikkunan säröytyessä 1. kerran [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47]. T gas at 1st crack min ( o C) max ( o C) Skelly et al. (1991) Hassani et al. (1994/1995) Loss Prevention Council (1999), test Loss Prevention Council (1999), test Shields et al. (2001), test Shields et al. (2001), test Shields et al. (2002) Hietaniemi et al. (2002) MeHaffey et al. (2004) BRI (1997) Kuva 6.1. Mitattujen huonepalon kaasun lämpötilojen jakauma huoneen ikkunan säröytyessä 1. kerran.

38 (37) 7 Hiiltymän määrittäminen luonnollisessa palossa Tässä kappaleessa tarkastellaan standardin SFS-EN (jatkossa käytetään lyhempää merkintää EC5) [48] antamia keinoja hiiltymän laskemiseksi luonnollisessa palossa ja tarkastellaan aiheesta löydettyjä tutkimustuloksia. EC5:n antamat laskentakaavat hiiltymäsyvyyden määrittämiseksi ovat pääosin käyttökelpoisia vain standardipalon tapauksessa. Tämä johtuu lähteen [49] mukaan siitä, että tietämys puurakenteiden käyttäytymisestä luonnollisessa palossa on vielä varsin rajallista. EC5:n mukaan suojaamattoman pinnan hiiltyminen standardipalossa lasketaan käyttäen vakioarvoa hiiltymisnopeudelle. Taulukossa x on esitetty EC5:n mukaiset mitoitusarvot yksidimensioiselle hiiltymisnopeudelle, 0, ja nimelliselle hiiltymisenopeudelle, n, havupuun, pyökin ja LVL:n tapauksissa. Taulukko 7.1. EC5:n mukaiset hiiltymisnopeuden mitoitusarvot 0 [mm/min] n [mm/min] Havupuu ja pyökki: Liimapuu, jonka ominaistiheys 290 kg/m 3 Sahatavara, jonka ominaistiheys 290 kg/m 3 0,65 0,65 0,7 0,8 LVL, jonka ominaistiheys 480 kg/m 3 0,65 0,7 EC5:n opastava liite A on ainoa poikkeus, joka sellaisenaan mahdollistaa jonkin muun kuin standardipalon palon käyttämisen palorasituksena. Suomessa Liitteen A käyttö on sallittua kansallisen liitteen mukaisesti [50]. EC5:n liitteen A mukaista laskentaa voidaan käyttää parametrisille lämpötila-aikakäyrille, jotka ovat määritetty standardin SFS-EN [51] liitteen A (myös käytössä Suomessa) mukaisesti. EC5:n opastavan liitteen B (Kehittyneet laskentamenetelmät) mukaan hiiltymissyvyyden määrittämiseen voidaan käyttää kehittyneitä laskentamenetelmiä. Yleisesti (myös EC5:n mukaan) hiiltymissyvyyden arvona pidetään 300 o C:n isotermiä. EC5:n liitteessä B on annettu puun termiset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti ja suhteellinen tiheys) lämpötilan funktiona. Nämä ovat kuitenkin ns. tehollisia ominaisuuksia, jotka ottavat implisiittisesti huomioon puun palamisessa tapahtuvia monimutkaisia ilmiöitä kuten pyrolyysikaasujen ja vesihöyryn virtaukset. Puun palaessa tapahtuvat ilmiöt ovat hyvin monimutkaisia mallintaa eksplisiittisesti ja tämän takia käytännön suunnittelussa tarvitaan ns. tehollisia ominaisuuksia, joilla myös voidaan tutkitusti saavuttaa varsin hyvä tarkkuus hiiltymäsyvyyden määrittämisessä kuten mm. lähteissä [52,53] osoitetaan.

39 (38) EC5:n liitteen B teholliset ominaisuudet perustuvat Königin ja Walleijin tutkimuksiin [54], joissa he kalibroivat puun teholliset termiset ominaisuudet standardipalon tapauksessa. Königin myöhemmät tutkimukset [55] osoittavat (polttokokeissa ja laskennallisesti) kuitenkin että EC5 liitteen B mukaiset ominaisuudet johtivat selvästi varmalla puolella oleviin tuloksiin hiiltymäsyvyyden suhteen kun käytettiin parametrista paloa, joka kuumeni nopeammin kuin standardipalo. Vastaavasti standardipaloa hitaammin kuumenevien palojen tapauksissa liitteen B mukaisten materiaaliominaisuuksien käyttö johti epävarmalla puolella oleviin hiiltymäsyvyyden arvoihin. Näin ollen liitteen B mukaisia termisiä ominaisuuksia saa perustellusti käyttää ainoastaan standardipalon tapauksessa. EC5:n liitteen B kohdan B.2 huomautuksen 2 mukaan laskentaan käytettävästä mallista riippuen voi olla tarpeen poiketa liitteen B termisistä ominaisuuksista. Termisistä ominaisuuksista löytyy tutkimustietoa myös luonnollisen palon tapauksessa mm. [56,57]. Näitä tarkastellaan kappaleessa Hiiltymän määrittäminen SFS-EN liitteen A mukaisesti Kun luonnollisen palon lämpötila-aika-riippuvuus esitetään parametrisesti SFS-EN liitteen A mukaisesti, voidaan hiiltymisnopeus määrittää EC5:n opastavan liitteen A mukaisella menetelmällä, joka on esitetty seuraavassa. Menetelmä perustuu Hadvigin [58] kehittämään laskentamalliin 1980-luvulta sekä myöhemmin tehtyihin polttokokeisiin [59]. On syytä huomata, että alla esiteltävän menetelmän käyttö vaatii perehtymistä myös SFS-EN liitteeseen A, jossa on esitetty parametrisen palomallin käyttö. Parametrinen lämpötila-aikakäyrä kuvataan kolmen parametrin avulla: Parametri b ottaa huomioon palotilaa ympäröivän vaipan termiset ominaisuudet Parametri O ottaa huomioon seinien aukotusten vaikutuksen Parametri qt, βd ottaa huomioon palokuorman tiheyden Lähteessä [60] on tutkittu parametristen palojen soveltuvuutta CLT-laattojen suunnitteluun palotilanteessa. Kyseisen lähteen tärkeimmät johtopäätökset olivat: Palotilan geometrialla ja aukkojen sijainnilla ja koolla on suuri vaikutus lämpötilaan palon eri vaiheissa Usein kuumenemisvaiheen lämpötilan nousu on parametrisissa paloissa suurempi kuin todellisuudessa Hiipumisvaiheen lineaarinen lämpötilan lasku (kuten SFS-EN liitteen A menetelmässä) ei ole realistista. Varsinkin palotiloille joissa on paljon palolle altistunutta puupintaa, lämpötila laskee liian nopeasti. Parametriset lämpötila-aikakäyrät eivät suoraan ota huomioon rakenteen palamisesta tulevaa lisäystä palokuormaan. Iteratiivisia menetelmiä tarvitaan tämän huomioon ottamiseksi (ks. kappale 7.3) SFS-EN :n liitteessä A on esitetty seuraavat rajoitukset menetelmän käytölle:

40 (39) Lattiapinta-ala saa olla korkeintaan 500 m 2 Katossa ei ole aukkoja Tilan korkeus on enintään 4 m Vaipan lämmönabsorbtiokyky b on välillä J/m 2 s 0,5 K Aukkotekijä, O on välillä 0,02 0,20 m 0,5 Lisäksi oletetaan, että tilan palokuorma palaa kokonaan. EC5:n liite A:ssa rajoitetaan menetelmän käyttöä vain rakenteille, joiden hiiltymä on korkeintaan 25 % rakenteen leveydestä ja korkeudesta. Seuraavassa käydään läpi vain EC5:n antamaa ohjeistusta. Parametrisen palokäyrän kuumenemisvaiheessa suojaamattoman havupuun hiiltymisnopeus, par määritetään kaavalla: β par = 1,5β n 0,2 Γ 0,04 0,16 Γ+0,08 (7.1) missä: Γ = ( O b )2 ( 0, )2 (7.2) O = A v A t h eq (7.3) b = ρcλ (7.4) h eq = A ih i A (7.5) Missä merkinnät ovat: O on aukkotekijä [m 0,5 ] n on nimellisen hiiltymisnopeuden mitoitusarvo [mm/min] Av on aukkojen kokonaisala palotilaa rajoittavilla pystypinnoilla [m 2 ] At on palotilaa rajoittavien lattioiden, seinien ja kattojen kokonaisala [m 2 ] Ai on pystyaukon i pinta-ala [m 2 ] heq hi on kaikkien pystyaukkojen korkeuksien painotettu keskiarvo [m] on pystyaukon i korkeus [m] on kerroin, joka ottaa huomioon palotilan vaipan termiset ominaisuudet b on koko vaipan lämmönabsorbtiokyky (ks. SFS-EN , liite A) on palotilan vaipan lämmönjohtavuus [Wm -1 K -1 ] on palotilan vaipan tiheys [kg/m 3 ]

41 (40) c on palotilan vaipan ominaislämpökapasiteetti [Jkg -1 K -1 ]. Kuvassa 7.1 on esitetty vasemmalla puolella kuumenemisvaiheen hiiltymisnopeuden, par ja nimellisen hiiltymisnopeuden, n suhde kertoimen funktiona. Oikealla puolella kuvassa 7.1 on esitetty kerroin aukkotekijän O funktiona tapauksissa, joissa b = 224 ja 1160 J/m 2 s 0,5 K. Arvo b = 224 J/m 2 s 0,5 K kuvaa tilannetta, jossa palotilan vaipan termiset ominaisuudet vastaavat puun arvoja [61] ja arvo b = 1160 J/m 2 s 0,5 K kuvaa ns. standardihuonetta, joka on tehty tiilestä ja betonista [62]. Kuva 7.1. Kuumenemisvaiheen hiiltymisnopeuden ja nimellisen hiiltymisnopeuden suhde kertoimen funktiona (vasemmalla) sekä kerroin aukkotekijän funktiona (oikealla). Huomaa logaritmiset asteikot. Kuvan 7.2 perusteella voidaan johtaa myös yhteys aukkotekijän, O ja suhteen par /n välille kuten on tehty kuvassa 7.2 tapauksille b = J/m 2 s 0,5 K, jotka ovat SFS-EN liite A:n mukaiset raja-arvot.

42 (41) Kuva 7.2. Kuumenemisvaiheen hiiltymisnopeuden ja nimellisen hiiltymisnopeuden suhde aukkotekijän funktiona eri b:n arvoilla. Koko paloa vastaava hiiltymisnopeus, ajan, t funktiona määritetään kuvan 7.3 mukaisesti Kuva 7.3. Hiiltymisnopeuden ja ajan välinen yhteys koko palon aikana. Aika, johon asti hiiltymisnopeus on vakio, t0, lasketaan seuraavalla kaavalla:

43 (42) t 0 = 0,009 q t,d O (7.6) missä qt, d on palokuorman tiheyden mitoitusarvo laskettuna palotilaa rajoittavien lattioiden, seinien ja kattojen kokonaisalan perusteella [MJ/m 2 ], ks. myös SFS-EN Kuvassa 7.4 on esitetty t0 aukkotekijän funktiona eri palokuorman tiheyden mitoitusarvoilla. Kuva 7.4. Aika t0 eri tapauksissa. EC5:n liitteessä A on rajoitettu menetelmän käyttöalue siten, että t0 saa olla korkeintaan 40 minuuttia. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että palokuorman tiheyden mitoitusarvon ja aukkotekijän on oltava kuvan 7.5 mukaisissa rajoissa, jotta menetelmää voidaan käyttää.

44 (43) Kuva 7.5. Sallitut arvot palokuorman tiheyden mitoitusarvolle ja aukkotekijälle. Kuvan 7.3 mukaisesti lopullinen hiiltymäsyvyys, dchar, fin, voidaan määrittää kaavalla: d char,fin = 2β par t 0 (7.7) Sijoittamalla yhtälöt (7.1), (7.2) ja (7.6) kaavaan (7.7), voidaan se johtaa seuraavaan muotoon: d char,fin = 0,027 q t,d β n (0,2 ( 1160 O 0,04 b ) 0,04) O (0,16 ( 1160 O 0,04 b )+0,08) (7.8) Käytetään jatkossa seuraavaa merkintää: d char,fin = β n t eq,iso (7.9) missä teq, ISO on standardipaloaltistusta vastaava aika, jolla hiiltymisnopeudella n saadaan lopulliseksi hiiltymäsyvyydeksi dchar, fin [min]. Standardipaloaltistusta vastaava aika, teq, ISO voidaan yhtälöiden (7.8) ja (7.9) mukaisesti määrittää seuraavasti: t eq,iso = 0,027 q t,d (0,2 ( 1160 O 0,04 b ) 0,04) O (0,16 ( 1160 O 0,04 b )+0,08) (7.10)

45 (44) Kaavasta (7.10) huomataan, että aika teq, ISO on suoraan verrannollinen palokuorman tiheyden mitoitusarvoon, qt, d. Piirretään seuraavassa käyrästöjä suhteesta teq, ISO / qt, d muuttaen suureiden O ja b arvoja, kuten kuvassa 7.6 on tehty. Kuvan 7.6 vasemmalla puolella aukkotekijän O maksimiarvona on 0,20 ja oikealla puolella 0,06. Kuva 7.6. Arvot teq, ISO / qt, d eri tapauksissa. Kuvaa 7.6 voidaan käyttää seuraavalla tavalla esim. alustavassa suunnittelussa: Esimerkkitapauksen lähtötiedot: qt, d = 200 MJ/m 2 b = 500 J/m 2 s 0,5 K O = 0,05 Edellä lueteltujen tietojen perusteella kuvasta 7.6 voidaan lukea suureelle teq, ISO / qt, d arvoksi noin 0,54 min / (MJ/m 2 ). Kerrotaan tämä arvo palokuorman tiheyden mitoitusarvolla qt, d = 200 MJ/m 2 ja saadaan standardipaloaltistusta vastaavaksi ajaksi: teq, ISO = 108 min. Kuvassa 7.7 on esitetty standardipalokäyrä ja parametrinen lämpötila-aikakäyrä, joka vastaa esimerkin parametreja.

46 (45) Kuva 7.7. Standardipalo ja esimerkin parametrinen lämpötila-aikakäyrä. 7.2 Hiiltymän määrittäminen SFS-EN liitteen B mukaisesti EC5:n opastavan liitteen B mukaan kehittyneitä laskentamenetelmiä voidaan käyttää hiiltymissyvyyden määrittämiseen. Kyseisessä liitteessä annetut termiset materiaaliominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti ja suhteellinen tiheys, ks. kuvat ) soveltuvat kuitenkin vain standardipalon tapaukseen. Kohdan B.2 huomautuksen 2 mukaisesti laskentaan käytettävästä mallista riippuen voi olla tarpeen poiketa näistä termisistä ominaisuuksista. Käytännössä siis palon ollessa jokin muu kuin standardipalo, liitteen B termisistä ominaisuuksista joudutaan poikkeamaan. Ominaislämpökapasiteetin ja suhteellisen tiheyden arvot (kuvat 7.9 ja 7.10) soveltuvat käytettäviksi vain käyttöluokassa 1. Suhteellisen tiheyden arvot riippuvat 100 o C:een asti puun kosteuspitoisuudesta. Kuvaan 7.10 suhteellinen tiheys on määritetty kosteuspitoisuuden arvoilla 0, 12 ja 24 %. Kuvissa on esitetty vertailun vuoksi lähteessä [63] määritetyt materiaaliominaisuudet lastulevylle, massiivipuulle ja OSB:lle standardipalon tapauksessa.

47 (46) Kuva 7.8. Puun ja hiilikerroksen lämmönjohtavuus lämpötilan funktiona EC5:n mukaisesti. Kuva 7.9. Puun ja puuhiilen ominaislämpökapasiteetti lämpötilan funktiona EC5:n mukaisesti.

48 (47) Kuva Havupuun suhteellinen tiheys lämpötilan funktiona EC5:n mukaisesti. Kirjallisuudesta [52,53] löytyy tarkasteluja, joissa on tutkittu eri ohjelmien soveltuvuutta puurakenteiden hiiltymän laskemiseksi. Esimerkiksi lähteessä [52] on vertailtu kolmea suhteellisen yleisessä käytössä olevaa ohjelmistoa (SAFIR, ANSYS, ABAQUS) puurakenteen lämpötilojen laskennassa. Laskettuja tuloksia verrattiin myös koetuloksiin. Kaikilla ohjelmilla saadut tulokset olivat hyvin lähellä toisiaan ja varsin lähellä koetuloksia. Seuraavassa on esitetty lähteen [53] mukaiset lyhyet kuvaukset ohjelmistoista: SAFIR [64] on Liegen yliopistossa kehitetty ohjelma, joka on kehitetty rakenteiden analysointiin palotilanteessa. Sillä voidaan laskea sekä lämmönjohtumis- että rakenneanalyysejä (2D ja 3D). Se soveltuu teräksen, betonin, puun ja liittorakenteiden laskentaa. Elementtityyppeinä laskennassa voidaan käyttää palkki-, sauva-, solidi-, tai kuorielementtejä. Eurokoodin mukaiset materiaaliominaisuudet löytyvät valmiina ohjelmasta, mutta myös käyttäjän muokkaamia materiaaliominaisuuksia voidaan käyttää sekä lämpötila- että rakenneanalyyseissä. ANSYS [65] on elementtimenetelmäohjelmisto, jolla voi laskea rakenne-, virtaus-, akustiikka- tai sähkömagnetiikkatehtäviä tai näiden yhdistelmiä. Lähtötiedot voidaan syöttää joko ohjelmointikielellä tai graafisen käyttöliittymän kautta, joka voi lukea CAD-kuvia. Käyttäjä voi määrittää tehtävän lähtötiedot ja esim. ratkaisualgoritmin hyvinkin tarkasti ja tämä vaatii paljon taustatietoa sekä ohjelmasta että mallinnettavasta systeemistä. ABAQUS [66] on paljolti ANSYSin tapainen elementtimenetelmäohjelmisto, jolla voidaan laskea erityyppisiä ongelmia. Lähtötiedot voidaan syöttää sekä ohjelmointikielellä tai graafisesti. Analyyseissä tarvittavien lähtötietojen ja tuloksena saatavien arvojen määrä on todella suuri, joten myös käyttäjältä vaaditaan suurta perehtyneisyyttä. Edellä mainittujen ohjelmistojen lisäksi kirjallisuudesta, mm. [52,53] löytyy mainintoja

49 (48) seuraavien ohjelmien käytöstä hiiltymää määritettäessä: TNO DIANA [67], FIRES-T3 [68], TASEF [69], COMSOL [70]. SAFIR-ohjelmistoa kokeiltiin yksiulotteisen hiiltymän määrittämisessä 100 mm paksulle laatalle standardipalossa seuraavissa tapauksissa: Puun tiheys 290 kg/m3 Puun tiheys 450 kg/m3 Puun tiheys 600 kg/m3 Kaikissa tapauksissa puun kosteuspitoisuus oli 12 % ja termiset materiaaliominaisuudet olivat EC5:n mukaiset. Vertailun vuoksi laskenta tehtiin myös lähteen [63] mukaisilla materiaaliarvoilla. Laskennassa saatiin hiiltymisnopeudeksi taulukon 7.2 mukaiset arvot. Niitä vertailtiin lähteessä [71] saatuihin arvoihin sekä EC5:n antamiin taulukkoarvoihin havupuille. Taulukko 7.2. Puun hiiltymisnopeudet [mm/min] standardipalossa, sekä lähteen [63] ja EC5:n mukaisesti = 290 kg/m 3 = 450 kg/m 3 = 600 kg/m 3 Lasketut arvot (EC5:n materiaalimalli) Lasketut arvot (lähteen [63] materiaalimalli) 0,87 0,69 0,60 0,74 0,59 0,51 Cachim & Franssen [56] 0,86 0,68 0,60 EC5, taulukkoarvot 0,74 0,65 0,65 Laskettujen tapausten perusteella SAFIR-ohjelmiston käyttö standardipalon tapauksessa antaa luotettavia tuloksia ja sen käyttäminen on suhteellisen yksinkertaista. Seuraavassa kappaleessa esitetään muokattuja materiaalimalleja, joita käyttämällä laskentaa voidaan soveltaa myös parametrisiin paloihin. EC5:n materiaalimallin käyttö johti selvästi varmalla puolella (keskimäärin 17 %) oleviin tuloksiin verrattuna lähteen [63] materiaaliarvojen käyttöön. On myös syytä huomata, että mm. lähteissä [56,71] on tarkasteltu kriittisesti EC5:n hiiltymälaskentaa. Hiiltymän taulukkoarvoissa puun tiheyden vaikutus on otettu vain marginaalisesti huomioon (ks. taulukko 7.2.) ja lisäksi puun kosteuspitoisuuden vaikutusta ei taulukoissa oteta huomioon lainkaan. Monissa tutkimuksissa, mm. [72,73] puun hiiltymisnopeuden on todettu riippuvan sen tiheydestä ja kosteuspitoisuudesta. Kehittyneissä laskentamenetelmissä tiheyden vaikutus hiiltymiseen tulee otetuksi huomioon. Lisäksi kosteuspitoisuuden vaikutus otetaan EC5:n mallissa huomioon tiheydessä kuvan 7.10 mukaisesti. Seuraavissa kappaleissa esitetään kirjallisuudesta löydettyjä parannusehdotuksia EC5:n hiiltymälaskentaan, jotta se soveltuisi myös parametrisiin paloihin.

50 (49) Muokatut materiaalimallit Cachim & Franssen Lähteiden [56,71] mukaan EC5:n hiiltymämitoituksessa (käsinlasku- tai kehittyneet laskentamenetelmät) on selviä epäjohdonmukaisuuksia. Ne eivät täysin ota huomioon puun tiheyden ja kosteuden vaikutusta. Tämän johdosta lähteessä [71] on johdettu korjauskertoimet, kρ ja kw joilla hiiltymisnopeudet kerrotaan yksinkertaisessa laskentamenetelmässä: k ρ = 450 ρ 12 (7.11) k w = ( 1,12 1+w )1,5 (7.12) Missä: 12 on puun tiheys kosteuspitoisuudella 12 % w on puun kosteuspitoisuus Cachim & Franssen kehittivät myös kehittyneisiin laskentamenetelmiin EC5:n mallista poikkeavan mallin ominaislämpökapasiteetille (taulukko 7.3 ja kuva 7.11). Tästä mallista on syytä huomata, että se ottaa huomioon kosteuspitoisuuden vaikutuksen ja kun kosteuspitoisuus, w = 12 %, antaa tämä malli samat arvot ominaislämpökapasiteetille kuin EC5.

51 (50) Taulukko 7.3. Cachimin & Franssenin malli puun ominaislämpökapasiteetille. Lämpötila [ o C] Suhteellinen tiheys, G Ominaislämpökapasiteetti [J/kgK] w ( w) / G w ( w) / G w ( w) / G 120 1,00 ( w) / G 120 1, / G 200 1, / G > 200 Kuten EC5:ssa Kuten EC5:ssa Kuva Cachimin & Franssenin malli puun ominaislämpökapasiteetille tapauksissa w = 8 %, w = 12 % ja w = 16 %. Hopkin et al. Hopkin et al [57, 74] kehittivät ns. muokatun lämmönjohtavuusmallin (MCM = modified conductivity model), joka käyttää edellisessä kappaleessa esitettyä Cachimin ja Franssenin kehittämää mallia ominaislämpökapasiteetille. Tämän lisäksi he muokkasivat EC5:n mallia puun lämmönjohtavuudelle siten, että materiaaliominaisuudet soveltuisivat myös parametrisiin paloihin mukaan luettuna palon hiipumavaihe. Taulukossa 7.4 on esitetty tässä mallissa käytettävä lämmönjohtavuus lämpötilan funktiona ja verrattuna EC5:n antamiin arvoihin.

52 (51) Taulukko 7.4. Puun muokattu lämmönjohtavuus Hopkin et al. ja EC5:n mukaan Lämpötila [ o C] Lämmönjohtavuus [Wm -1 K -1 ] Hopkin et al. Lämmönjohtavuus [Wm -1 K -1 ] EC5 20 0,12 0, ,15 0, ,07 0, ,09 k,mod 0, ,35 k,mod 0, ,50 k,mod 1,50 Taulukosta 7.4 nähdään, että Hopkinin arvot lämmönjohtavuudelle ovat muuten samat kuin EC5:n arvot, mutta ne kerrotaan kertoimella k, mod kun lämpötila on 500 o C tai enemmän. Kerroin k, mod lasketaan seuraavasti: k λ,mod = k Γ,mod k qtd,mod (7.13) Missä: k Γ,mod = 1,5 Γ 0,48 (7.14) k qtd,mod = 4 q t,d 210 (7.15) Kertoimet k, mod ja kqtd,mod ovat esitetty graafisesti kuvassa Kuva Kertoimien k, mod ja kqtd, mod graafinen esitys.

53 (52) Kuvasta 7.12 voidaan todeta, että verrattuna EC5:n malliin Hopkinin mukaan puun tehollinen lämmönjohtavuus ja näin ollen hiiltymä kasvavat suurissa lämpötiloissa kun: Vaipan lämmönabsorbtiokyky suurenee Aukkotekijä pienenee Palokuorman tiheys kasvaa Hopkin et al. kalibroivat materiaalimallinsa siten, että sen käyttö kehittyneissä laskentamenetelmissä antaa vastaavia arvoja hiiltymäsyvyyden maksimiarvolle kuin EC5:n liite A:n menetelmä. Määritetään puun hiiltymä kolmen parametrisen palon sekä vertailun vuoksi myös standardipalon tapauksessa. Parametriset palot ja niiden parametrit on kuvattu taulukossa 7.5 ja kuvassa Kaikissa tapauksissa aukkotekijänä käytettiin arvoa O = 0.04 m 0,5. Taulukko 7.5. Parametristen palojen parametrit. Palo 1 Palo 2 Palo 3 qt, d [MJ/m 2 ] 93,8 109,4 114,6 2,7 3,0 4,5 Kuva Parametriset palot. Muita lähtötietoja laskennassa olivat: Puun kosteuspitoisuus: 12 % Puun tiheys kuivana: 425 kg/m 3

54 (53) Lasketaan tarkasteltavien parametristen palojen aiheuttama hiiltymä seuraavasti: EC5:n liite A:n menetelmä EC5:n liite B:n menetelmä siten, että käytetään puun materiaaliominaisuuksina kappaleessa esiteltyjä arvoja. Käytetään laskennassa SAFIR-ohjelmistoa. Kuvassa 7.14 on esitetty lasketut hiiltymissyvyydet eri tapauksissa käyttäen edellä mainittuja menetelmiä. Kuva Hiiltymissyvyydet eri tapauksissa eri menetelmillä. Kuvasta 7.14 nähdään, että EC5:n liitteen A menetelmällä ja SAFIR:illa määritetyt lopulliset hiiltymissyvyydet ovat lähellä toisiaan. Kaikissa tapauksissa SAFIR:illa määritetyt hiiltymissyvyydet olivat pienempiä (keskimäärin 4,6 %) kuin EC5:n liitteen A menetelmällä. Hiiltymisnopeudet ovat selvästi erilaisia riippuen menetelmästä. Saman havainnon teki myös Hopkin tutkimusryhmineen, mutta totesi, että tällä ei käytännön mitoituksen kannalta ole merkitystä, koska hiiltymissyvyyden maksimiarvo määrittää rakenteen kestävyyden [57]. Lähteessä [57] todetaan, että edellä kuvattu malli ei täysin kuvaa puun hiiltymistä ja lämpötilan kehittymistä palon hiipumisvaiheessa. König ehdotti lähteessä [55], että puulle voisi käyttää eri termisiä ominaisuuksia parametrisen palon kuumenemis- ja hiipumisvaiheessa. Suunnittelunäkökulmasta tämä tuntuu kuitenkin varsin hankalalta ratkaisulta ongelmaan. Tämän johdosta Hopkin et al. päätyivät edellä esiteltyyn materiaalimalliin, mutta mallin kehitystyö on edelleen käynnissä.

55 (54) 7.3 Puun palamisesta syntyvä lisäys palokuormaan SFS-EN :n kohdan E.2.1(1) mukaan palokuormaan sisältyy kaiken rakennuksen palavan irtaimiston lisäksi rakennuksen asianomaiset palavat osat, mukaan lukien verhoukset ja pinnoitteet. Palavan ainemäärän palavia osia, jotka eivät hiilly palon aikana, ei tarvitse ottaa huomioon. Rakennuksen asianomaiset palavat osat voidaan selvittää kun tiedetään, minkälainen palo on kyseessä. Tämä puolestaan riippuu lopullisesta palokuormasta, jossa on mukana myös rakennuksen asianomaiset palavat osat. Edellä olevan perusteella huomataan, että lopullisen palokuorman ja hiiltymän määritys ei onnistu suoraviivaisesti EC5:n liitteiden A ja B menetelmillä vaan se vaatii iterointia. Jos puurakenteen palamisesta tulevaa lisäystä palokuormaan ei ole otettu huomioon palokuorman tiheydessä, ρt, d, voidaan se ottaa huomioon iteratiivisella laskennalla sekä EC5:n liitteen A ja B mukaisesti, kuten kappaleissa ja esitetään Palokuorman lisäys EC5:n liitteen A menetelmässä Lähteessä [75] on esitetty yksinkertaisesti kuinka puurakenteen palamisesta syntyvä palokuorman lisäys voidaan ottaa huomioon EC5:n liitteen A menetelmässä: 1. Määritetään tarkasteltavan huoneiston palokuorman tiheyden mitoitusarvo, qt, d, 1, jossa ei ole mukana puurakenteen palokuormaa 2. Määritetään huoneistolle parametrinen lämpötila-aikakäyrä, Qg, 1, SFS-EN liitteen A mukaisesti 3. Lasketaan puurakenteen hiiltymä, dchar, 1 EC5 liitteen A mukaisesti 4. Määritetään uusi palokuorman tiheyden mitoitusarvo, qt, d, 2, jossa on otettu huomioon hiiltyvän osan tuoma lisäys 5. Määritetään uusi parametrinen lämpötila-aikakäyrä, qg, 2, jossa puurakenteen osallistuminen on otettu huomioon 6. Lasketaan palokuorman tiheyttä qt, d, 2 vastaava hiiltymä dchar, 2 7. Jatketaan iterointia kunnes puurakenteelta tuleva lisäys palokuorman tiheyteen on tarpeeksi pieni. Kun puurakenteita on palolle alttiina paljon, tarvitaan vähintään muutama iterointikierros Lasketaan esimerkkinä hiiltymä iteratiivisesti seuraavilla lähtöarvoilla: Palokuorman tiheyden mitoitusarvo, kun rakennuksen asianomaisia palavia osia ei oteta huomioon, qt, d, 1 = 200 MJ/m 2 Puun tiheys, = 425 kg/m 3 puun kosteuspitoisuus, w = 12 % Nimellisen hiiltymisnopeuden mitoitusarvo, bn = 0,80 mm/min

56 (55) Aukkotekijä, O = 0,1 m 0,5 Kerroin, joka ottaa huomioon palotilan vaipan termiset ominaisuudet, = 8,41 Oletetaan, että 25 % palotilan vaipasta on puuta ts. lisäystä palokuormaan Puun lämpöarvo, Hu = 17,5 MJ/kg (SFS-EN ) Lopetetaan iterointi tässä tapauksessa kun kohdan 7. mukainen lisäys palokuormaan on vähemmän kuin 1 % edellisellä kierroksella käytetystä arvosta. Kuvassa 7.15 ja taulukossa 7.6 on esitetty laskennan kulku. Kuva Parametrinen lämpötila-aikakäyrä (vasemmalla) ja hiiltymissyvyys (oikealla) eri iterointikierroksilla. Taulukko 7.6. Iteroinnin kulku. Kierros qt,d [MJ/m 2 ] dchar,fin [mm] qadd [MJ/m 2 ] qadd / qt,d ,7 60,7 30,3 % 2 260,7 55,6 18,4 7,1 % 3 279,1 59,5 5,6 2,0 % 4 284,7 60,7 1,7 7,1 % Kuten kuvasta 7.15 ja taulukosta 7.6 nähdään, neljä laskentakierrosta kyseisessä tapauksessa riittää lopullisen palokuorman tiheyden (n. 285 MJ/m 2 ) ja hiiltymissyvyyden (n. 61 mm) määrittämiseksi Palokuorman lisäys EC5:n liitteen B menetelmässä Puun palamisesta syntyvä palokuorman lisäys voidaan ottaa huomioon kehittyneissä laskentamenetelmissä (liite B) pääosin samoin periaattein kuin liite A:n tapauksessa.

57 (56) Erona liite A:n menettelyyn on, että myös materiaalimallia kuumissa lämpötiloissa täytyy muuttaa askelittain, jos käytetään lähteen [57] mukaista mallia lämmönjohtavuudelle, jonka on todettu antavan realistisia tuloksia parametrisille paloille joissa on hiipumavaihe. Seuraavassa on esitetty yksinkertaistettuna iteraation kulku: 1. Määritetään tarkasteltavan huoneiston palokuorman tiheyden mitoitusarvo, qt, d, 1, jossa ei ole mukana puurakenteen palokuormaa 2. Määritetään huoneistolle parametrinen lämpötila-aikakäyrä, Qg, 1, SFS-EN liitteen A mukaisesti sekä kappaleen mukaiset lämpötilariippuvaiset materiaaliarvot (jos käytetään kyseistä materiaalimallia) 3. Lasketaan puurakenteen hiiltymä, dchar, 1 kehittyneillä laskentamenetelmillä 4. Määritetään uusi palokuorman tiheyden mitoitusarvo, qt, d, 2, jossa on otettu huomioon hiiltyvän osan tuoma lisäys 5. Määritetään uusi parametrinen lämpötila-aikakäyrä, Qg, 2, jossa puurakenteen osallistuminen on otettu huomioon sekä uudet lämpötilariippuvaiset materiaaliarvot 6. Lasketaan palokuorman tiheyttä qt, d, 2 vastaava hiiltymä dchar, 2 7. Jatketaan iterointia kunnes puurakenteelta tuleva lisäys palokuorman tiheyteen on tarpeeksi pieni. Kuvassa 7.16 ja taulukossa 7.7 on esitetty tulokset SAFIR-ohjelmistolla lasketusta samasta tapauksesta kuin kappaleessa 7.1 laskettiin EC5:n liitteen A menetelmällä. Kuvassa 7.17 on vertailtu menetelmien antamia tuloksia. Kuva Parametrinen lämpötila-aikakäyrä (vasemmalla) ja hiiltymissyvyys (oikealla) eri iterointikierroksilla.

58 (57) Taulukko 7.7. Iteroinnin kulku Kierros qt, d [MJ/m 2 ] dchar, fi [mm] qadd [MJ/m 2 ] qadd / qt, d kλ, mod ,9 61,0 30,5 % 1, ,0 55,8 18,2 7,0 % 1, ,3 59,7 5,6 2,0 % 1, ,8 60,8 1,7 0,6 % 1,257 Kuva Lopulliset hiiltymäkäyrät eri menetelmillä. Kuvan 7.17 perusteella nähdään, että kehittyneillä laskentamenetelmillä (SAFIR) päästään käytännössä samaan lopulliseen hiiltymissyvyyteen kuin EC5:n liitteen A menetelmällä kun SAFIR:issa käytetään Hopkinin EC5:sta muokkaamaa mallia lämmönjohtavuudelle. Mikäli olisi käytetty EC5:n lämmönjohtavuusmallia sellaisenaan (ts. kλ, mod = 1,00 joka kierroksella), olisi lopulliseksi hiiltymissyvyydeksi saatu n. 53,1 mm, joka on 13 % vähemmän kuin EC5:n liitteen A menetelmällä saatu arvo. 7.4 Laskentamallien vertailu koetuloksiin Kirjallisuudesta löytyy jonkin verran koetuloksia puurakenteiden hiiltymästä luonnollisessa palossa. Tässä raportissa tarkastellaan seuraavia polttokokeita: Kinjo et al (Japani, 2014) [76] König et al (Ruotsi, 1997) [77] Hakkarainen (Suomi, 2002) [78]

59 (58) Seuraavien laskentamenetelmien antamia tuloksia verrattiin edellä mainittuihin koetuloksiin (suluissa merkintä johon vertailussa viitataan): EC5 liite A:n mukainen menetelmä (EC5,A) Kehittyneet laskentamenetelmät käyttäen EC5 liitteen B materiaaliominaisuuksia (EC5,B) Kehittyneet laskentamenetelmät käyttäen modifioituja EC5 liitteen B materiaaliominaisuuksia (EC5,Bmod) On syytä huomata, että EC5 liite A:n mukainen menetelmä soveltuu vain SFS-EN :n mukaan määritetyille parametrisille paloille ja se ei täysin sovellu polttokokeiden paloihin, joten sen käyttö vertailussa on vaikeaa. Kehittyneissä laskentamenetelmissä käytetään SAFIR-ohjelmistoa ja kohdan 3 mukaisina modifioituneina materiaaliominaisuuksina kappaleessa esiteltyjä Cachim:in ja Franssen:in sekä Hopkin et al tutkimusten mukaisia materiaaliominaisuuksia. Myös Hopkinin tutkimusryhmän määrittämät materiaaliominaisuudet ovat sidoksissa SFS-EN :n mukaiseen parametriseen paloon joten myös tämän menetelmän käyttö on vaikeaa. König et al:n polttokokeissa hiiltyvä puurakenne oli kipsilevyjen välissä uunin ulkopuolella toisen puolen altistuessa palolle. Tässä tapauksessa puun palamisesta tuleva lisäys palokuormaan otettiin iteratiivisella menetelmällä huomioon. Muissa tapauksissa iterointia ei tarvittu, koska puurakenteet olivat suoraan altistuneita kokeissa mitatuille lämpötiloille Kinjo et al Tuoreessa japanilaisessa tutkimuksessa tutkittiin liimapuupalkkien käyttäytymistä palossa. Erityisesti tutkijat olivat kiinnostuneet palon hiipumavaiheen käyttäytymisestä. Tällaisia tutkimuksia ei ole tehty paljoa. Lisäksi tässä tutkimuksessa tarkasteltiin palkin mekaanista käyttäytymistä. Tässä raportissa tarkastellaan vain polttokokeissa mitattua hiiltymää. Kinjo et al tutkivat 6 metriä pitkiä liimapuupalkkeja, joiden poikkileikkaus oli 210 mm (leveys) x 420 mm (korkeus). Käytetty puutavara oli japanilaista lehtikuusta. Palkki altistui palolle alareunastaan ja sivuiltaan ja sen yläreuna oli eristetty kalsiumsilikaattilevyillä. Koekappaleiden mitattu tiheys oli 530 kg/m 2 ja kosteuspitoisuus 11 %. Polttokokeita tehtiin kaksi kappaletta. Molemmissa tapauksissa uunin lämpötila seurasi standardipalokäyrää yhden tunnin ajan ja tämän jälkeen seurasi molemmissa tapauksissa pitkä hiipumavaihe (kuva 7.18). Hiiltymäsyvyydet sekä vaaka- että pystysuunnassa mitattiin 1, 2, 3, 4 ja 8 tunnin jälkeen. Kuvassa 7.18 on myös esitetty SFS-EN liite A:n mukainen parametrinen palokäyrä jonka perusteella vertailu EC5 liite A:n menetelmään tehdään. Kuvasta 7.18 nähdään että parametrisen palon mukainen lämpötila laskee hiipumavaiheessa huomattavasti hitaammin kuin polttokokeissa mitatut arvot.

60 (59) Parametrisen palon parametrit määritettiin kokeilemalla siten, että lämpenemisvaiheen käyrä oli mahdollisimman lähellä polttokokeita eli sen parametreilla ei ole mitään tekemistä todellisen polttokokeen kanssa. Lisäksi on syytä mainita, että kyseisen parametrisen palon tapauksessa parametri t0 = 45 min joka ylittää EC5 liitteen A mukaisen maksimiarvon t0 = 40 min. Menetelmää sovellettiin tästä huolimatta hiiltymän laskennassa. Kuvassa 7.19 on esitetty laskennassa käytetty SAFIR-malli, jossa hyödynnettiin symmetriaa. Vasemmalla puolella on esitetty lämpötilajakauma testistä 1 tunnin kuluttua kokeen aloittamisesta ja oikealla puolella 300 o C:een isotermi vastaavasta tilanteesta, jota käytettiin hiiltymäsyvyyden määrittämiseen. Kuva Uunin keskilämpötila polttokokeissa lähteen [76] mukaan.

61 (60) Kuva SAFIR-laskentamalli. Kuvissa 7.20 ja 7.21 on esitetty testattujen hiiltymien vertailu eri laskentamenetelmillä saatuihin tuloksiin. Kuva Laskentamenetelmien vertailu polttokoe 2:n tuloksiin.

62 (61) Kuva Laskentamenetelmien vertailu polttokoe 3:n tuloksiin. Koetuloksista saatu hiiltymisnopeus palon lämpenemisvaiheessa oli välillä 0,61 0,68 mm/min. Palon hiipumisvaiheen aikana hiiltymistä ei juuri tapahtunut. Kehittyneiden laskentamenetelmien käyttö yhdessä EC5 liite B:n materiaaliominaisuuksien kanssa antaa varsin hyviä tuloksia tässä tapauksessa sekä hiiltymisnopeudelle (0,68 0,71 mm/min) ja hiiltymissyvyyksien maksimiarvoille. EC5 liite A:n mukainen menetelmä ja kehittyneiden laskentamenetelmien käyttö yhdessä muokattujen materiaaliominaisuuksien (Hopkin et al. ja Cachim & Franssen) kanssa antavat selvästi varmalla puolella olevia tuloksia. Taulukossa 7.8 on vertailtu eri laskentamenetelmillä saatuja maksimiarvoja hiiltymissyvyyksille polttokokeiden tuloksiin. Eri tapauksille on laskettu laskentamenetelmän antaman hiiltymän, dchar, i, ja polttokokeesta mitatun arvon, dchar, koe, suhde.

63 (62) Taulukko 7.8. Hiiltymissyvyyksien maksimiarvojen vertailu Koe EC5,A SAFIR EC5,B SAFIR EC5,Bmod Polttokoe 2 Vaakasuuntainen hiiltymissyvyys [mm] dchar, i / dchar, koe 1,54 1,06 1,73 Polttokoe 2 Pystysuuntainen hiiltymissyvyys [mm] dchar, i / dchar, koe 1,34 0,96 1,97 Polttokoe 3 Vaakasuuntainen hiiltymissyvyys [mm] dchar, i / dchar, koe 1,56 1,06 1,71 Polttokoe 3 Pystysuuntainen hiiltymissyvyys [mm] dchar, i / dchar, koe 1,32 0,93 1,74 Japanilaisten tekemistä mekaanisista testeistä on syytä mainita, että kuormitettujen palkkien taipumat kasvoivat vielä selvästi palon hiipumisvaiheessa ja palkit murtuivat 79 ja 121,5 minuutin palon jälkeen, vaikka palo oli alkanut hiipua jo 60 minuutin jälkeen ja laskennallisesti kestävyyttä olisi pitänyt vielä olla jäljellä. Tutkimusryhmän mukaan yksi selitys tälle voisi olla hiiltymättömän osan mekaanisten ominaisuuksien heikkeneminen. Lopuksi tutkimusryhmä painottaa että puurakenteiden hiiltyminen luonnollisessa palossa on aihe joka tarvitsee lisätutkimusta König et al Trätek:in 1997 julkaisemassa raportissa [77] on runsaasti polttokoetuloksia seinärungoista parametrisissä paloissa. Tarkastellaan seuraavassa kyseisen raportin polttokokeita VE13, VE16 ja VE22. Edellä mainitut neljä polttokoetta olivat keskenään samanlaisia muuten paitsi että runkotolppia kuormitettiin eri voimilla. Tässä raportissa käsitellään ainoastaan hiiltymissyvyyksiä. Kuvassa x on esitetty polttokokeessa mitatut uunin lämpötilat tapauksessa VE13 sekä vertailun vuoksi standardipalokäyrä. Lämpötilat polttokokeissa VE16 ja VE22 olivat lähellä kokeen VE13 vastaavia.

64 (63) Kuva Uunin lämpötilat polttokokeessa VE13 sekä standardipalokäyrä. Polttokokeiden seinien rakenne oli seuraava (palolle altistettu pinta mainittu ensin): Tyypin F kipsilevy 15,4 mm Tyypin A kipsilevy 12 mm Puurunko 45 mm x 145 mm 600 mm välein, eristeenä kivivillaa Tyypin A kipsilevy 12 mm Polttokokeissa hiiltymissyvyyksiä mitattiin kahdesta puurangasta eli yhteensä tarkasteltuja rankoja oli kuusi kappaletta. Laskennallisissa tarkasteluissa käytettiin puulle sen keskimääräisiä ominaisuuksia: tiheys, ρ = 432 kg/m 3 ja kosteuspitoisuus, w = 12,8 %. Kivivillan tiheytenä normaalilämpötilassa käytettiin arvoa 28 kg/m 3 ja termisinä ominaisuuksina lähteen [63] mukaisia arvoja. Kipsilevyjen materiaaliominaisuuksina käytettiin SAFIR:in oletusarvoja, jotka perustuvat lähteiden [79,80] kokeellisesti määritettyihin arvoihin. Trätekin raportin [77] yhteenvedossa mainitaan, että seinän puurangan palamisen aiheuttama lisäys palokuormaan tulisi ottaa huomioon. Etenkin palon hiipumisvaiheessa sillä näytti olevan suuri vaikutus. Polttokokeissa hiiltyminen jatkui hyvin pitkällä vaikka uunin lämpötilat olivat jo varsin pieniä (ks. kuvat 7.22 ja 7.26). Tässä tarkastelussa hiiltymästä tuleva lisäys palokuormaan otetaan huomioon SAFIRissa iteratiivisesti lisäämällä hiiltymästä syntyvä lämpövuo puun palon puolella olevaan reunaan (ks. kuva 7.23). Lämpövuon laskemisessa otettiin huomioon VTT:n raportin [73] mukaiset lämpöhäviöt. Tässä tapauksessa iteraatiokierroksia tehtiin neljä kappaletta.

65 (64) Kuva SAFIR-laskentamalli. Kipsilevyjen mallintaminen laskennallisesti on haastavaa mm. johtuen niiden termisten materiaaliominaisuuksien suuresta hajonnasta (ks. kappale 8). Lähteessä [81] on tarkasteltu laskennallisesti (SAFIR) rakenteita, joissa on kipsilevyä. Raportissa mainitaan seuraavat haasteet kipsilevyjen laskennallisissa mallintamisessa: Aika-askel Laskenta-aika Kosteuden liikkuminen Ablaatio Kutistuminen Sekä puulla että kipsilevyllä on selkeä piikki ominaislämpökapasiteetissa sadan asteen paikkeilla vesihöyryn vapautuessa. Jotta tämä saadaan otettua laskennallisesti huomioon, täytyy laskennan aika-askeleen olla tarpeeksi pieni. Tämä taas voi johtaa pitkiin laskenta-aikoihin. Tässä tarkastelussa käytettiin aika-askeleena 1 sekuntia, jota suositellaan SAFIR:in manuaalissa [82] jos mallissa käytetään kipsiä materiaalina. Aika-askeleen vaihtamisella suuremmaksi (5 s) ei havaittu olevaan juurikaan vaikutusta hiiltymiin. Aikaaskelen sopivuus on syytä tarkistaa aina tapauskohtaisesti. Tässä tapauksessa laskentaajat pysyivät pisimmilläänkin varsin pieninä (maksimissaan noin 15 minuuttia). Lämmönsiirtyminen kipsilevyssä riippuu voimakkaasti materiaalin kosteuspitoisuudesta. Mallintamisessa tämä voidaan ottaa huomioon muokkaamalla ominaislämpökapasiteet-

66 (65) tia. Kosteuden liikkuminen ontelossa on kuitenkin monimutkaisempi ongelma, jota SA- FIR:issa ei voi ottaa huomioon. Lähteen [83] mukaan tämän ilmiön vaikutusta ei yleensä oteta laskennassa huomioon johtuen sen monimutkaisuudesta ja siitä että se vaikuttaa lämmönsiirtymiseen ontelossa ainoastaan pienemmillä lämpötiloilla kuin 120 o C. Tässä tarkastelussa kyseisellä ilmiöllä ei ole vaikutusta, koska rakenteessa ei ole onteloita. Ablaatiolla tarkoitetaan prosessia jossa ohuita kerroksia kipsiä irtoaa kartongista. Tämä pienentää poikkileikkauksen paksuutta ja kasvattaa lämpövuota kipsilevyn läpi. Laskennallisesti tämän huomioon ottaminen vaatisi elementtiverkon muokkaamista laskennan aikana, joka on ohjelmasta riippuen joko mahdotonta tai hyvin työlästä. Käytännössä tämä täytyy ottaa siis huomioon kipsilevyn materiaaliominaisuuksissa. Kipsilevyn kutistuminen ja halkeilu otetaan tyypillisesti huomioon kasvattamalla kipsilevyn lämmönjohtavuutta. Puurankojen kutistuminen voi aiheuttaa pienen raon kipsilevyn ja puurangan väliin. Myös tämän huomioon ottaminen vaatisi elementtiverkon muokkausta laskennan aikana. Yksi vaihtoehto mallintamisessa on myös määrittää pieni rako puurangan ja kipsilevyn välille. Raolle annetaan aluksi puun materiaaliominaisuudet, jotka muutetaan ilman ominaisuuksiksi kun kutistuman oletetaan olevan tapahtunut. Tässä tarkastelussa kutistuman vaikutuksen oletetaan olevan huomioitu materiaalien ns. tehollisissa ominaisuuksissa. Kuvassa 7.24 on esitetty polttokokeista määritetyt hiiltymissyvyyksien minimi-, keski- ja maksimiarvot sekä SAFIR:illa lasketut arvot kun käytettiin EC5 liite B:n mukaisia materiaaliominaisuuksia puulle. Kuvassa 7.24 on myös esitetty iteraation kulku laskennallisessa tarkastelussa kun puun palamisesta syntyvä lämpövuo on lisätty kuvan 7.23 mukaiseen kohtaan. Kuva Hiiltymissyvyydet polttokokeesta ja laskennallisesta tarkastelusta.

67 (66) Polttokokeet keskeytettiin kun rakenteet eivät enää kestäneet niillä ollutta kuormitusta. Tähän asti laskennallinen hiiltymä oli suhteellisen lähellä kokeista mitattua maksimiarvoa lukuun ottamatta sitä että laskennallisessa tarkastelussa puurangan hiiltyminen alkoi n. 10 minuuttia aiemmin kuin polttokokeissa Hakkarainen Hakkarainen [78] tutki kokeellisesti lämpötiloja ja hiiltymää puurakenteisten huoneiden paloissa. Huoneistojen koko oli 4,5 m x 3,5 m x 2,5 m (pituus x leveys x korkeus). Huoneessa oli ikkuna, jonka koko oli 2,3 m x 1,2 m (leveys x korkeus). Kokeita tehtiin sekä suojaamattomille että kipsilevyin suojatuille rakenteille. Tässä raportissa tarkastellaan tapausta jossa puurakenne oli suojaamaton (Test 1 lähteessä [78]). Kuvassa 7.25 on esitetty uunin mitattu lämpötila sekä SFS-EN liite A:n mukaisella menetelmällä laskettu aika-lämpötilakäyrä käyttäen polttokokeen mukaisia parametreja: O = 0,042 m 0,5, qt, d = 160 MJ/m 2 ja b = 330 J/m 2 s 0,5 K. Kuva Uunin mitattu lämpötila ja SFS-EN liite A:n mukaisella menetelmällä laskettu parametrisen palon käyrä. Kuvasta 7.25 nähdään, että parametrinen palokäyrä antaa selvästi varmalla puolella olevia lämpötiloja tässä tapauksessa. Hakkaraisen mukaan parametrinen palokäyrä antoi suojaamattomien ja yhdellä kipsilevyllä suojatuiden rakenteiden tapauksissa o C liian korkeita lämpötiloja. Kun rakenteet oli suojattu kahdella kipsilevyllä, para-

68 (67) metrisen palon antamat lämpötilat olivat tällöinkin varmalla puolella, mutta selvästi lähempänä polttokokeen vastaavia. Kuvassa 7.26 on vertailtu eräästä kohdista kattoa ja seiniä mitattuja hiiltymiä laskennallisiin arvoihin. Nämä eivät ole keski- eivätkä maksimiarvoja hiiltymille, mutta ne olivat ainoat, jotka oli raportissa esitetty ajan funktiona. Maksimiarvojen vertailu tehdään taulukossa 7.9. Tarkasteltava polttokoe keskeytettiin 50 minuutin jälkeen eli tässä tapauksessa hiipumisvaiheen hiiltymää ei voitu tarkastella. On syytä huomioida, että EC5 liitteen A menetelmä on jo lähtökohtaisesti selvästi varmalla puolella, koska siinä käytetään SFS-EN liitteen A mukaista parametrista paloa, joka antoi tässä tapauksessa selvästi liian kuumia lämpötiloja. Kehittyneitä laskentamenetelmiä käytettiin seuraavasti: SAFIR, EC5,B: Lämpötiloina käytettiin polttokokeesta mitattuja arvoja ja materiaaliominaisuuksina EC5 liite B:n mukaisia arvoja SAFIR, EC5,Bmod: Lämpötiloina käytettiin parametrisen palokäyrän arvoja ja materiaaliominaisuuksina Cachim & Franssen [56] ja Hopkin et al:n [57] mukaisia muokattuja arvoja Kehittyneissä laskentamenetelmissä jouduttiin käyttämään toisessa tapauksessa (SAFIR, EC5,Bmod) parametrisen palon lämpötiloja, koska materiaaliominaisuuksisen muokkaaminen perustuu niiden parametreihin (ks. kappale 7.2.1). Kuva Lasketut ja mitatut hiiltymissyvyydet eräästä kohdasta.

69 (68) Taulukossa 7.9 vertaillaan hiiltymissyvyyden maksimiarvoja 50 minuutin kohdalla, koska polttokoe keskeytettiin silloin. Lähteessä [78] ilmoitettiin mitatun hiiltymissyvyyden maksimiarvoiksi katon osalta 38 mm ja seinän osalta mm, joten taulukossa x käytetään arvoa 41 mm. Taulukko 7.9. Laskennassa käytetty palo Hiiltymissyvyyden maksimiarvot polttokokeen loppuessa (t = 50 min) Parametrinen Koetuloksista Parametrinen Tunnus Polttokoe EC5,A SAFIR EC5,B SAFIR EC5,Bmod dchar [mm] dchar, i / dchar, koe 1,82 0,83 1, Yhteenveto vertailusta koetuloksiin Kolmen edellä esitetyn polttokokeen ja laskennallisen tarkastelun vertailusta voidaan tehdä seuraavia johtopäätöksiä: EC5 liite A:n menetelmä ei sovellu täysin todellisille paloille, koska siinä oletetaan että palon lämpötilat on määritetty SFS-EN liite A:n mukaisesti. Kyseisillä parametrisillä paloilla ei pystytä kuvaamaan kaikkia todellisia paloja. Lisäksi ne yliarvioivat huoneiden, joissa on puurakenteinen vaippa lämpötilat palossa. Tapauksissa, joissa EC5 liite A:n menetelmää pystyttiin soveltamaan, se antoi hiiltymissyvyydeksi keskimäärin 52 % varmalla puolella olevan arvon verrattuna koetuloksiin. EC5 liite B:n menetelmä (kehittyneet laskentamenetelmät), jota käytettiin yhdessä liite B:ssä annettujen materiaaliominaisuuksien kanssa, antoi suhteellisen lähellä koetuloksia olevia arvioita hiiltymisnopeudelle ja hiiltymissyvyyden maksimiarvoille. Joissain tapauksissa tämän menetelmän käyttö antoi kuitenkin epävarmalla puolella olevan tuloksia. Kyseisten materiaaliominaisuuksien käyttö on tarkoitettukin ainoastaan standardipalon tapaukseen. EC5 liite B:n menetelmä, jota käytettiin yhdessä Cachim & Franssen [56] ja Hopkin et al:n [57] määrittämien materiaaliarvojen kanssa, ei sovellu täysin todellisille paloille, koska myös siinä oletetaan, että SFS-EN liite A:n mukaisesti. Tämä menetelmä on kalibroitu siten, että se antaa likimain samoja tuloksia hiiltymissyvyyden maksimiarvolle kuin EC5 liite A:n menetelmä. Tässä tarkastelussa sen antamat tulokset olivat selvästi varmalla puolella. Trätek:in raportin [77] polttokokeiden vertailusta nähdään, että on hyvin tärkeää ottaa puun palamisesta tuleva lisäys palokuormaan jos sitä ei ole lähtötietoihin muuten sisällytetty. Ainoastaan japanilaisten tekemissä polttokokeissa [76] puurakenteen annettiin hiiltyä loppuun asti. Tämän tyyppisiä koetuloksia tarvitaan jatkossakin, jotta puurakenteiden

70 (69) hiiltyminen luonnollisessa palossa voidaan määrittää laskennallisesti luotettavasti Hopkin et al:n muokattu materiaalimalli parametrisiin paloihin perustui siihen, että puun lämmönjohtavuutta (EC5 liite B:n mukaan) muokataan parametrisen palon parametreistä riippuvalla kertoimella kun puun lämpötila ylittää 350 C. Muokataan seuraavassa Hopkin et al:n menetelmää siten, että se ei ole riippuvainen parametrisen palon parametreistä ja siten, että se antaa varmalla puolella olevia tuloksia koetuloksiin nähden Muokattu lämmönjohtavuusmalli Idea tässä muokatussa lämmönjohtavuusmallissa on sama kuin Hopkin et al esittämässä MCM-mallissa [74] eli puun lämmönjohtavuutta kasvatetaan verrattuna EC5 liite B:ssä annettuihin arvoihin. Tässä tarkastelussa korotuskertoimeksi valitaan kλ, mod = 1,45. Tämä johtaa taulukossa 7.10 esitettyihin lämmönjohtavuuksiin. Taulukko Puun muokattu lämmönjohtavuusmalli Lämpötila [ o C] Lämmönjohtavuus [Wm -1 K -1 ] muokatussa mallissa Lämmönjohtavuus [Wm -1 K -1 ] EC5 20 0,12 0, ,15 0, ,07 0, ,13 0, ,51 0, ,18 1,50 Muokataan EC5 liite B:n materiaalimallia myös Cachim & Franssen:in tutkimuksen [56] mukaisesti, jolloin puun kosteuspitoisuus (jos muu kuin 12 %) voidaan ottaa huomioon ominaislämpökapasiteetissa (ks. myös kappale 7.2.1). Kuvissa 7.27 ja 7,28 on esitetty kyseistä materiaalimallia käyttäen lasketut vertailut koetuloksiin. Taulukossa 7.11 on esitetty hiiltymissyvyyksien maksimiarvojen vertailu. Esitettyyn menetelmään viitataan tunnuksella SAFIR,EC5,Bprop.

71 (70) Kuva Vertailu japanilaisten tekemiin polttokokeisiin [76]. Kuva Vertailu König et al [77] ja Hakkaraisen [78] polttokokeisiin.

72 (71) Taulukko Hiiltymissyvyyksien maksimiarvojen vertailu Polttokoe dchar, koe [mm] dchar, SAFIR [mm] dchar, SAFIR / dchar, koe Kinjo et al: Polttokoe 2 - pystysuunta Kinjo et al: Polttokoe 2 vaakasuunta Kinjo et al: Polttokoe 3 - pystysuunta Kinjo et al: Polttokoe 3 - vaakasuunta , , , ,22 König: VE13, VE16, VE ,19 Hakkarainen: Katto ja seinä ,38 Kuvista 7.27 ja 7.28 sekä taulukosta 7.11 nähdään, että käytetty menetelmä antaa kaikissa tapauksissa varsin lähellä koetuloksia olevat arvot sekä hiiltymisnopeudelle että hiiltymissyvyyden maksimiarvolle. Lisäksi tulokset ovat varmalla puolella. On syytä huomata, että vaikka menetelmä antoi vertailluissa tapauksissa hyviä tuloksia, sen laajempi käyttö vaatii lisää tarkasteluja erilaisiin luonnollisiin paloihin. On oletettavaa, että arvon k,mod = 1,45 käyttö ei johda kaikissa tapauksissa realistisiin tuloksiin. Luonnollisen palon aiheuttamaa hiiltymää puurakenteessa laskettaessa on hyvin tärkeää, että laskentamalli validoidaan polttokoetuloksiin, jotka ovat mahdollisimman lähellä tarkasteltavia olosuhteita. 7.5 Yhteenveto EC5:n liite A:ssa on esitetty laskentamenetelmä, jolla voidaan laskea suojaamattoman puurakenteen hiiltyminen parametrisessa palossa. Parametrinen palo määritetään SFS- EN liitteen A mukaisesti. Parametrisen palon käyttämiselle on annettu rajoituksia sekä EC5:ssa että SFS-EN :n liitteessä A, joten se ei sovellu joka kohteeseen. Se on kuitenkin EC5:n ainoa menetelmä, jota voidaan sellaisenaan käyttää puurakenteen hiiltymän laskemiseksi muussa kuin standardipalon tapauksessa. EC5:n liite B:ssä annetaan ohjeistusta kehittyneiden laskentamenetelmien käyttämisestä. Niitä voidaan käyttää mm. hiiltymissyvyyden (300 o C:n isotermi) määrittämiseksi. Kyseisessä liitteessä annetut termiset ominaisuudet pätevät kuitenkin vain standardipalon tapauksessa. Kaikissa muissa tapauksissa lämpötilariippuvaiset ominaisuudet pitäisi määritellä tapauskohtaisesti. Lähteessä [56] on esitetty EC5:sta muokattu malli puun ominaislämpökapasiteetille ja lähteessä [57] on esitetty muokattu malli puun lämmönjohtavuudelle, jota voi käyttää parametrisen palon tapauksessa. Lähteen [74] lämmönjohtavuusmalli on kalibroitu siten, että se antaa samoja tuloksia luin EC5:n liitteen A menetelmä. Myös tässä raportissa SAFIR-ohjelmistolla lasketut tapaukset osoittavat tämän.

73 (72) Kumpikaan edellä mainituista menetelmistä ei sellaisenaan ota huomioon puun palamisesta syntyvää lisäystä palokuormaan. Kappaleissa ja on esitetty menetelmät joiden avulla tämä lisäys voidaan ottaa iteratiivisesti huomioon EC5:n liitteiden A ja B mukaisessa laskennassa. Vertailu koetuloksiin osoitti, että edellä mainittujen menetelmien soveltaminen luonnollisissa paloissa voi olla hankalaa, koska parametrinen palo täytyy määrittää SFS-EN liite A:n mukaisesti. Kehittyneiden laskentamenetelmien (SAFIR) käyttö yhdessä EC5 liite B:n mukaisten materiaaliominaisuuksien kanssa antoi suhteellisen hyviä tuloksia verrattuna koetuloksiin. Osa tuloksista oli kuitenkin epävarmalla puolella. EC5:n, Hopkin et al:n ja Cachim & Franssen:in tutkimusten pohjalta muodostettiin materiaalimalli, joka antoi kohtuullisella tarkkuudella koetuloksia vastaavia tuloksia ollen joka tapauksessa varmalla puolella. Materiaalimallin laajempi soveltaminen vaatii lisää tutkimusta. Luonnollisen palon aiheuttamaa hiiltymää puurakenteessa laskettaessa on hyvin tärkeää, että laskentamalli validoidaan polttokoetuloksiin, jotka ovat mahdollisimman lähellä tarkasteltavia olosuhteita.

74 (73) 8 Kipsilevyjen laskennallinen tarkastelu 8.1 Kipsilevy tulipalossa Kipsilevy on yleisimpiä puurakenteiden palosuojauksessa käytettyjä tuotteita. Sen raaka-aineet ovat kipsi, paperi ja lisäaineet. Lähteen [84] mukaan kipsilevyn toiminta palolta suojaavana rakenteena perustuu kipsin (kalsiumsulfaatti) sisältämään kideveteen, joka kipsin kuumentuessa poistuu endotermisessä eli lämpöä sitovassa reaktiossa. Veden osuus kipsissä on noin 21 % ja tämän lisäksi siinä on noin 3 % kosteutta eli vapaata, kiderakenteeseen sitoutumatonta vettä. Noin 75 % vedestä poistuu kipsistä hieman yli 100 o C:een lämpötilassa. Tämä sitoo runsaasti lämpöä, joka tarkoittaa sitä, että kipsilevyllä suojatun rakenteen lämpötilan nousu pysähtyy joksikin aikaa yli 100 o C:een lämpötilaan ja jatkaa nousuaan vasta kun kidevesi on poistunut. Veden lopullinen dehydraatio tapahtuu kipsin lämpötilan noustessa edelleen. Kirjallisuudessa tämän reaktion tapahtumislämpötilalle on annettu vaihtelevia arvoja ( o C) [85,86,87]. Monet erilaiset kipsilevyt täyttävät standardin SFS-EN 520:n [88] vaatimukset joihin mm. standardissa SFS-EN [92] viitataan (käytetään jatkossa merkintää EC5). SFS-EN 520:n mukaiset A- ja F-tyypin kipsilevyt ovat yleisesti käytettyjä: A-tyypin kipsilevy: tavallinen kipsilevy, jonka sisäosaa ei ole vahvistettu F-tyypin kipsilevy: palokipsilevy, jota on vahvistettu lisäämällä sisäosaan lasikuitua Palokipsilevyt sisältävät lasikuitua, jonka ansiosta levyyn muodostuu kuumissa lämpötiloissa paljon pieniä halkeamia yhden ison halkeaman sijasta mikä voisi aiheuttaa tavallisen kipsilevyn murtumisen [93]. Pohjois-Amerikassa käytetään X-tyypin kipsilevyjä usein palosuojauksena. Lähteen [93] mukaan tämän tyyppinen levy vastaa Eurooppalaista F-tyypin kipsilevyä. Kipsilevyjen paksuus vaihtelee tyypillisesti 9 30 mm:n välillä [93].

75 (74) 8.2 Kipsilevyllä suojattu puurakenne tulipalossa Alar Justin väitöskirjan [94] mukaan kipsilevyin suojatun rakenteen palonkestävyys riippuu seuraavista toisiinsa kytketyistä ominaisuuksista: Kipsilevyn lämmöneristävyydestä, joka viivyttää suojatun rakenteen lämpötilan nousua Kipsilevyn kyvystä pysyä paikallaan ja ehjänä dehydraation jälkeen Kipsilevyn käyttäytymisestä sen kutistuessa. Tällöin levyyn yleensä syntyy halkeamia ja levyjen liitoksiin rakoja Kipsilevyn ydinmateriaalin kyvystä vastustaa ablaatiota palon puolella ankaran palorasituksen alaisena Ablaatiolla tarkoitetaan hidasta prosessia, jossa dehydratoitunut kipsijauhe hitaasti putoaa pois palolle altistetulla puolella levyä aiheuttaen levyn paksuuden pienenemisen. Lähteen [94] mukaan F-tyypin levyissä ablaatiota ei tapahdu ennen kuin lämpötila on noin 700 o C ja lasikuidut ovat sulaneet. Vaikka ablaation vaikutus on suhteellisen pieni, se voidaan ottaa kehittyneissä laskentamalleissa huomioon korottamalla kipsilevyn lämmönjohtavuutta korkeissa lämpötiloissa [89]. Lähteen [94] mukaan tavallinen kipsilevy (tyyppi A) voi pudota seinältä tai katolta välittömästi kun kipsi on dehydratoitunut joka vastaa likimain sitä aikaa jolloin suojatun puurakenteen hiiltymä alkaa. Lasikuiduin vahvistetut (tyyppi F), tiheästi kiinnitetyt kipsilevyt pysyvät paikallaan kunnes lasikuidut ovat sulaneet. Tämä tapahtuu lähteen [89] mukaan silloin kun levy on saavuttanut lämpötilan 700 o C koko paksuudeltaan. Lähteen [90] mukaan kipsilevyn kriittiset lämpötilat murtumisen suhteen olivat 600 o C kattolevyille ja 800 o C seinillä oleville levyille. Hakkaraisen [91] toteuttamien huonepalokokeiden tulosten perusteella seinällä oleva kipsilevy voi pudota pois kun levyn tulelle altistamattoman puolen lämpötila kohoaa noin o C:een [84]. Kipsilevyn suojaaman puurakenteen hiiltymä on täysin erilainen ennen ja jälkeen kipsilevyn murtumista. Seuraavassa on esitetty kipsilevyin suojatun puurakenteen hiiltyminen lähteessä [94] kuvatulla tavalla: Suojaamattomat puurakenteet alkavat hiiltyä heti kun ne altistuvat palolle (punainen viiva kuvassa 8.1). Kun rakenne on suojattu esim. kipsilevyin, hiiltyminen koostuu eri vaiheista. Ensimmäisessä vaiheessa (0 tch) hiiltymistä ei tapahdu kunnes lämpötila suojaavan kerroksen takana on vähintään 300 o C. Toisessa vaiheessa (tch tf) suojaus vielä toimii ja pysyy paikallaan vaiheen loppuun asti, murtumishetkeen, tf, asti. Hiiltyminen on suhteellisen hidasta tämän aikana. Seuraava vaihe (tf ) alkaa suojauksen irrottua. Tällöin hiiltymisen nopeus kasvaa selvästi. Massiivisilla poikkileikkauksilla voi kehittyä suojaava hiiltymäkerros ja tällöin hiiltyminen jatkuu ajanhetkestä ta eteenpäin pienemmällä nopeudella. Edellä mainitun perusteella hiiltymisen alkamisajankohta ja kipsilevyjen murtumishetki ovat tärkeitä parametreja puurakenteen paloteknisessä suunnittelussa.

76 (75) Kuva 8.1. Periaatekuva suojaamattoman ja kipsilevyllä suojatun puun hiiltymisestä. Kuvan 8.1 mukaiset vaiheet otetaan huomioon EC5:n [92] yksinkertaisissa laskentamenetelmissä. Nämä kaavat soveltuvat kuitenkin käytettäväksi ainoastaan standardipalorasituksessa. Kipsilevyn murtuminen tai putoaminen on ilmiö jota ei sen monimutkaisen luonteen takia käytännössä voida eksplisiittisesti mallintaa käyttäen FEM-laskentaa (elementtimenetelmä, Finite Element Method). Epäsuorasti murtuminen tai putoaminen voidaan kuitenkin ottaa huomioon muuttamalla kipsilevyn materiaaliominaisuuksia oletetun murtumisen tapahtuessa. Lähteen [93] mukaan kipsilevyn murtuminen muodostuu kahdesta eri mekanismista: Kipsilevyn terminen hajoaminen ja Kiinnittimien vetomurto johtuen riittämättömästä tunkeumasta palamattomaan puuhun Lähteen [94] mukaan valmistajien tulisi antaa kipsilevyilleen niiden murtumishetket tai ne pitäisi määrittää polttokokein. Käytännössä vain harva valmistaja ilmoittaa nämä arvot tuotteilleen. Toisaalta polttokokeiden tekeminen on kallista ja aikaa vievää ja näin ollen harvinaista käytännön suunnittelussa [94].

77 (76) 8.3 Kehittyneiden laskentamenetelmien käyttö Bevan H Jonesin tekemässä raportissa [95] on tarkasteltu SAFIR-ohjelmiston [96] soveltuvuutta kipsilevyseinien lämpöteknisten laskelmien tekemiseen. Kyseinen raportti sisältää tuloksia polttokokeista ja numeerisista analyyseistä, joihin tässä raportissa laskettuja tuloksia tullaan vertailemaan. Vaikka raportin polttokokeet on tehty teräsrakenteiselle seinälle, soveltuvat ne silti hyvin vertailuun, koska niissä on käytetty erilaisia palorasituksia, ei ainoastaan standardipaloa. Lisäksi kyseisessä raportissa on tarkasteltu aiemmin tehtyjä laskentamalleja liittyen kipsilevyn käyttäytymiseen luonnollisessa palossa. Myös lähteessä [97] on tehty kattava vertailu koetulosten vertailusta SAFIR:illa laskettuihin tuloksiin. Näissä tapauksissa käsiteltiin kuitenkin ainoastaan standardipaloa. Suurin osa Jonesin raportoimasta tutkimuksesta keskittyy standardipalo-olosuhteisiin, mutta hän mainitsee myös muutaman Uudessa-Seelannissa tehdyn tutkimuksen, jossa on laskennallisesti tutkittu kipsilevyn toimintaa luonnollisessa palossa, kuten: Gerlich (1995) [98] käyttäen TASEF-ohjelmaa [99] Thomas (1997) [100] käyttäen TASEF-ohjelmaa lämmönsiirtymisen laskemiseen ja ABAQUS-ohjelmaa [101] rakenteellisen toiminnan laskemiseksi. Collier (2000) [102] käyttäen itse kehittämäänsä ohjelmaa Kehittyneitä laskentamenetelmiä käytettäessä tarvitaan kipsilevyn lämpötilasta riippuvat termiset ominaisuudet (tiheys, ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus). Näiden ominaisuuksien mittaaminen korkeissa lämpötiloissa on kuitenkin vaikeata. Esimerkiksi mittausmenetelmällä voi olla suuri vaikutus kokeen tulokseen [103,104]. Termisiin ominaisuuksiin vaikuttavat myös kosteuden ja massan siirtyminen sekä levyn halkeilu ja ablaatio. Edellä mainitut ilmiöt on yleensä otettu huomioon kalibroimalla termiset ominaisuudet siten, että niitä käytettäessä saadaan likimain sama tulos kuin polttokokeessa [103]. Laskennassa ei käytetä siis fysikaalisesti oikeita, vaan ns. tehollisia ominaisuuksia. Lähteessä [97] on esitetty kuinka kipsilevyn termiset ominaisuudet voidaan kalibroida iteratiivisesti polttokokeiden tulosten perusteella. Kirjallisuudesta löytyy paljon dataa kipsilevyn termisistä materiaaliominaisuuksista. Esimerkiksi Jonesin raportissa [95] on lueteltu runsaasti eri tutkimuksissa selvitettyjä materiaaliominaisuuksia. Edellä mainitusta raportista nähdään, että eri tutkimuksissa määritettyjen materiaaliominaisuuksien hajonta on varsin suuri. Tämän raportin tarkasteluissa käytetyt termiset ominaisuudet esitellään kappaleessa FEM-LASKENNAN VERTAILU POLTTOKOKEISIIN Yleistä Lasketaan kehittyneillä laskentamenetelmillä (SAFIR) neljä eri tapausta, joista löytyy raportit polttokokeesta. Tapaukset on esitelty taulukossa 8.1. Lisäksi Case 1:ssa tarkastellaan aika-askeleen ja elementtiverkon vaikutusta laskennan tuloksiin.

78 (77) Taulukko 8.1. SAFIRilla lasketut tapaukset Tapaus Rakenne Palorasitus Polttokokeen lähde Case 1 Pelkkä kipsilevy Standardipalo Frangi et al. (2010) Case 2 Seinärakenne Standardipalo Jones (2001) Case 3 Seinärakenne Luonnollinen palo 1 Jones (2001) Case 4 Seinärakenne Luonnollinen palo 2 Jones (2001) Casessa 1 testattiin kahta tyypin A ja kahta tyypin F kipsilevyä standardipalossa. Caseissa 2 4 ollut seinärakenne oli teräsrankarunkoinen, jossa ei ollut eristettä sisällä. Casessa 2 käytettiin tavallisia kipsilevyjä ja Caseissa 3 ja 4 palokipsilevyjä. Lämmönsiirtokertoimena palon puolella käytettiin arvoa 25 W/m 2 K standardipalossa ja arvoa 35 W/m 2 K muissa tapauksissa. Palon vastaisella puolella käytettiin arvoa 4 W/m 2 K kaikissa tapauksissa. Kipsilevyn emissiviteetille käytettiin arvoa = 0,8. Lähteen [95] mukaan edellä mainittujen parametrien pieni muuttaminen vaikuttaa tuloksiin hyvin vähän. Kipsilevyn lämpötilariippuvaisilla termisillä ominaisuuksilla sen sijaan on suuri vaikutus laskennan lopputulokseen. Tämän takia laskenta suoritettiin eri ominaisuuksilla, jotka on esitelty seuraavassa kappaleessa Laskennassa käytetyt termiset ominaisuudet Tämän raportin FEM-laskennassa käytettiin seuraavien lähteiden mukaisia termisiä ominaisuuksia kipsilevylle: SAFIR:in valmiit materiaalimallit Vanessa Schleiferin väitöskirja (2009) [105] Bevan H Jonesin raportti (2001) [95] SAFIR:issa on kaksi vaihtoehtoa kipsin materiaalimalliksi (tyyppi X tai C). Tyyppi C vastaa Euroopassa käytettävää tyyppiä A ja tyyppi X Euroopassa käytettävää tyyppiä F. Lähteen [95] mukaan SAFIR:in kipsilevyn materiaalimallit perustuvat Sultanin [106] ja Cooperin [107] tutkimuksiin. Käytettyjen termisten ominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta on esitetty kuvissa

79 (78) Kuva 8.2. Laskennassa käytetyt arvot ominaislämpökapasiteetille lämpötilan funktiona. Kuva 8.3. Laskennassa käytetyt arvot lämmönjohtavuudelle lämpötilan funktiona.

80 (79) Kuva 8.4. Laskennassa käytetyt arvot suhteelliselle tiheydelle lämpötilan funktiona Case 1 Lähteessä [103] on esitetty 15 mm paksujen standardipalolle altistettujen kipsilevyjen palon vastaisen puolen lämpötilan kehittyminen ajan funktiona. Kokeissa tarkasteltiin sekä tyypin A että F kipsilevyjä. Kuvassa 8.5 on esitetty tarkasteltavan tilanteen periaatekuva ja SAFIR-malli. Kuva 8.5. Case 1:n kuvaus ja SAFIR-malli.

81 (80) Ennen varsinaisen Case 1:n laskemista tarkasteltiin laskennassa käytetyn elementtiverkotuksen ja laskennan aika-askeleen vaikutusta tuloksiin. Kuvassa 8.6 on esitetty Case 1:n tuloksia kun laskennassa levyn paksuuden suunnassa käytettiin 5-15 elementtiä ja aika-askelena 1 12 sekuntia. Tässä tapauksessa käytettiin SAFIR:in valmista materiaalimallia. Kuva 8.6. Levyn paksuudella käytettävien elementtien lukumäärän ja aika-askeleen vaikutus lämpötiloihin. Kuvan 8.6 perusteella elementtiverkon tiheyden vaikutus on varsin pieni kun se on välillä 5 45 elementtiä levyn paksuudella ja kun aika-askel on 1 sekunti. Aika-askeleen pidentäminen yhdestä sekunnista suuremmaksi vaikutti tuloksiin siten, että kipsilevyn palolle altistumaton puoli lämpeni hieman hitaammin 15 minuutin paikkeilla. SAFIR:in manuaalin [108] mukaan kipsilevyn lämmönsiirtymislaskelmissa saattaa olla syytä käyttää 1 sekunnin aika-askelta. Tässä tarkastelussa käytettiin 1 s aika-askelta ja 45 elementtiä levyn paksuudella, koska laskenta-ajat pysyivät joka tapauksessa hyvin pieninä (noin 20 sekuntia). Kuvassa 8.7 on esitetty laskennallisten tulosten vertailu lähteen (Frangi et al. (2009)) [103] koetuloksiin kun käytetään kappaleen mukaisia materiaaliominaisuuksia. Polttokokeita tehtiin kaksi sekä tyypin A että F levyille. SAFIR-analyyseissä levyjen huoneenlämpötilan tiheytenä käytettiin näiden kahden levyn keskiarvoa (tyyppi A: 859 kg/m 3 ja tyyppi F: 871 kg/m 3 ). SAFIR:in valmiissa materiaalimalleissa normaalilämpötilan tiheyksinä käytetään arvoja 732 kg/m 3 tyypin C levyille ja 648 kg/m 3 tyypin X levyille. Lähteen [103] mukaan kipsilevyn tiheydellä on vain vähän merkitystä sen lämpöteknisessä käyttäytymisessä. Paljon tärkeämpi parametri on sen sisältämä vesimäärä ja näin ollen levyn paksuus joka suoraan lisää vesimäärää.

82 (81) Kuva 8.7. Palon vastaisen puolen lämpötila ajan funktiona polttokokeista ja laskennallisesti määritettynä Case 2 Lähteessä [95] on tarkasteltu teräsrankarunkoisen kipsilevyseinän lämpötiloja eri pisteissä. Kuvassa x on esitetty periaatepiirros Caseista 2 4. Eroina kyseisissä tapauksissa on palorasitus ja kipsilevyn tyyppi. Levytyksen tyyppi lähteen [95] mukaan on standard eli ei palokipsilevy. Case 2:ssa palorasituksena on standardipalo, case 3:ssa standardipaloa rajumpi palo ja case 4:ssa standardipalo lievempi palo. Kuvassa x on myös esitetty SAFIR-laskentamalli. On syytä huomata, että teräsprofiileja mallinettiin, jotta laskentamalliin saatiin luotua ontelo, jossa SAFIR pystyi laskemaan ontelossa tapahtuvan lämpösäteilyn. Tarkastellut lämpötilat sijaitsivat kuitenkin keskellä onteloita (kuten polttokokeen vertailuarvot), jotta teräsprofiilin vaikutus kipsilevyjen lämpötiloihin oli mahdollisimman pieni.

83 (82) Kuva 8.8. Case 2-4:n kuvaus ja SAFIR-malli. Kuvissa on esitetty polttokokeesta raportoidut sekä eri materiaaliominaisuuksia käyttäen lasketut lämpötilat tarkastelluissa pisteissä. Kuva 8.9. Pisteen 1 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti.

84 (83) Kuva Pisteen 2 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti. Kuva Pisteen 3 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti Case 3 Case 3:ssa palorasitus oli standardipaloa rajumpi ja levytyksenä käytettiin palokipsilevyä molemmin puolin. Kuvissa on esitetty kuvan 8.8 mukaisten pisteiden lämpötilat ajan funktiona laskennallisesti määritettynä ja polttokokeista.

85 (84) Kuva Pisteen 1 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti. Kuva Pisteen 2 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti.

86 (85) Kuva Pisteen 3 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti Case 4 Case 4:ssa palorasitus oli standardipaloa lievempi ja levytyksenä käytettiin palokipsilevyä molemmin puolin (ks. kuva 8.15). Kuvissa on esitetty kuvan 8.8 mukaisten pisteiden lämpötilat ajan funktiona laskennallisesti määritettynä ja polttokokeista. Kuva Pisteen 1 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti.

87 (86) Kuva Pisteen 2 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti. Kuva Pisteen 3 lämpötila polttokokeessa ja laskennallisesti.

88 (87) Yhteenveto vertailuista polttokokeisiin Case 1:ssa lähimmäksi koetuloksia päästiin Schleiferin materiaalimalleilla (tyypit A ja F) sekä Jonesin tavallisen kipsilevyn mallilla. SAFIR:in valmiita materiaalimalleja käytettäessä lämpötila nousi liian nopeasti ja Jones:in malleja käytettäessä liian hitaasti verrattuna polttokokeisiin. Case 2:ssa Jonesin tavallisen kipsilevyn malli antoi tuloksia, jotka olivat lähimpänä koetuloksia. Case 3:ssa kaikki käytetyt mallit antoivat selvästi liian suuria lämpötiloja pisteissä 1 ja 2 välillä minuuttia. Lisäksi käytetyt mallit antoivat selvästi liian pieniä lämpötiloja pisteissä 1 ja 2 noin 22 minuutista eteenpäin. Case 4:ssa kaikki käytetyt mallit antoivat suhteellisen hyviä tuloksia verrattuna polttokokeisiin. Kaikki käytetyt termiset ominaisuudet antoivat joissain tapauksissa lähellä koetuloksia olevia lämpötiloja, mutta toisaalta mikään käytetyistä malleista ei antanut kaikissa tapauksissa hyviä tuloksia. Schleiferin materiaaliominaisuudet johtivat parempiin tuloksiin pelkällä kipsilevyllä (Case 1) ja Jonesin materiaaliominaisuudet seinärakenteella (Caset 2, 3 ja 4). Tämä on luonnollista, koska tutkimusten tekijät ovat kalibroineet materiaalimallinsa siten, että ne antavat polttokokeita vastaavia tuloksia. Kalibroidaan seuraavassa kappaleessa Schleiferin termisten ominaisuuksien perusteella materiaalimalli, jossa otetaan huomioon vastaava nopea ominaisuuksien heikkeneminen kuin Jonesin tavallisella kipsilevyllä Kehitetty malli Muokataan Schleiferin väitöskirjassa esitettyä kipsilevyn materiaalimallia vastaavasti kuin Jones:in tavallisen kipsilevyn materiaalimallissa. Toisin sanoen tietyn kriittisen lämpötilan jälkeen termiset ominaisuudet heikkenevät selvästi. Näin levyn halkeilun, ablaation ja murtumisen vaikutukset voidaan ottaa huomioon epäsuorasti. Taulukoissa on esitetty Schleiferin väitöskirjan mukaiset kipsilevyn termiset ominaisuudet ja tämän raportin laskelmien perusteella tehdyt muutokset niihin, jotta niiden perusteella vastaavat tulokset ovat lähempänä koetuloksia. Mikäli jotain lämpötilaa vastaavalla rivillä ei ole arvoa materiaaliominaisuudelle, jätetään tämä rivi pois kyseisen mallin tarkastelusta. Kehitetyn mallin muokkaukset Schleiferin malliin on lihavoitu taulukoissa.

89 (88) Taulukko 8.2. Kipsilevyn suhteellinen tiheys Schleiferin mukaan (ρsuht,schl) ja kehitetyssä mallissa (ρsuht,schl,mod) Tyyppi A Tyyppi F Lämpötila [ o C] ρsuht,schl ρsuht,schl,mod ρsuht,schl,modλ 20 1,000 1,000 1, ,000 1,000 1, ,000 1,000 1, ,926 0,926 0, ,902 0,902 0, ,877 0,877 0, ,828 0,828 0, ,827 0,827 0, ,786 0,786 0, ,786 0,100 0, ,776 0,100 0, ,776 0,100 0, ,776 0,100 0, ,776 0,100 0,100

90 (89) Taulukko 8.3. Kipsilevyn lämmönjohtavuus Schleiferin mukaan (λschl) ja kehitetyssä mallissa (λschl, mod) Tyyppi A Tyyppi F Lämpötila [ o C] λschl [W/(m o C] λschl, mod [W/(m o C] λschl, mod [W/(m o C] 20 0,40 0,40 0, ,40 0,40 0, ,27 0,27 0, ,13 0,13 0, ,13 0,13 0, ,13 0,13 0, ,13 0,13 0, ,13 0,13 0, ,33 0,33 0, , ,38 5,00 0, ,80 5,00 0, ,00 5, ,37 5,00 5,00

91 (90) Taulukko 8.4. Kipsilevyn ominaislämpökapasiteetti Schleiferin mukaan (cp,schl) ja kehitetyssä mallissa (cp,schl,mod) Tyyppi A Tyyppi F Lämpötila [ o C] cp,schl [J/(kg o C)] cp,schl,mod [J/(kg o C)] cp,schl,mod [J/(kg o C)] Taulukoista nähdään, että modifioidussa Schleiferin materiaalimallissa kipsilevyn termiset ominaisuudet heikkenevät nopeasti lämpötiloissa 720 o C (tyypin A kipsilevy) ja 1000 o C (tyypin F kipsilevy). Tämä on materiaaliominaisuuksien ainoa ero tyypin A ja F kipsilevyissä. Lähteen [103] mukaan levyyn tyypin F levyihin lisättävillä aineilla kuten lasikuidulla on vain vähäinen vaikutus kipsilevyn termisiin ominaisuuksiin. Sen sijaan niillä on suuri vaikutus levyn mekaanisiin ominaisuuksiin Vertailu koetuloksiin Kuvissa on vertailtu kuvissa esitetyillä termisillä ominaisuuksilla laskettuja lämpötiloja polttokokeista mitattuihin arvoihin.

92 (91) Kuva Kehitetyllä mallilla lasketut ja polttokokeen lämpötilat Case 1:ssa. Kuva Kehitetyllä mallilla lasketut ja polttokokeen lämpötilat Case 2:ssa.

93 (92) Kuva Kehitetyllä mallilla lasketut ja polttokokeen lämpötilat Case 3:ssa. Kuva Kehitetyllä mallilla lasketut ja polttokokeen lämpötilat Case 4:ssa.

94 (93) 8.5 Yhteenveto Kipsilevy on yleisimpiä puurakenteiden palosuojauksessa käytettyjä tuotteita ja sen käyttäytymistä palossa on tutkittu suhteellisen paljon. Pääosin tutkimus keskittyy kokeisiin standardipalossa. Suunnitteluohjeista kuten EC5 löytyy kokeisiin perustuvia käsinlaskentamenetelmiä suojatun puurakenteen hiiltymän laskemiseksi. Nämä menetelmät eivät kuitenkaan sovellu käytettäväksi luonnolliseen paloon. Kehittyneiden laskentamenetelmiä voidaan käyttää analysoitaessa kipsilevyin suojattua puurakennetta. Käytetyillä materiaaliominaisuuksilla on suuri vaikutus laskennan tuloksiin. Kirjallisuudesta löytyvät materiaaliominaisuudet on kalibroitu vastaamaan tiettyjä koetuloksia eivätkä ne välttämättä sovellu muihin tapauksiin. Tässä raportissa tarkasteltiin SAFIR-ohjelmiston valmiita materiaalimalleja, Schleiferin väitöskirjassa esitettyjä sekä Jonesin raportin mukaisia materiaalimalleja neljässä eri tapauksessa. Mikään malleista ei antanut kaikissa tapauksissa hyviä tuloksia verrattaessa polttokokeisiin. Schleiferin termisten materiaaliominaisuuksien perusteella kalibroitiin materiaalimalli, joka antoi suhteellisen tarkkoja ja pääosin varmalla puolella olevia tuloksia polttokokeisiin verrattaessa. Materiaalimallissa käytettiin samaa ideaa kuin Jonesin tavallisen kipsilevyn mallissa eli termisten ominaisuuksien oletettiin heikkenevän selvästi tietyn lämpötilan jälkeen, jotka tässä tapauksessa olivat 720 o C tyypin A kipsilevylle ja 1000 o C tyypin F kipsilevylle. Kun kipsilevyin suojatun rakenteen lämpötiloja määritetään FEM-laskennalla, on hyvin tärkeää, että laskentamalli validoidaan polttokoetuloksiin, jotka ovat mahdollisimman lähellä tarkasteltavia olosuhteita.

95 (94) 9 Pelastushenkilöstön turvallisuuden ja toimintamahdollisuuksien tarkastelu 9.1 Lämpösäteilyn vaikutus Kun pelastushenkilökunta siirtyy kohteen sisälle, kohdistuu heihin rakennuksen yläosaan kehittyneen kuuman savukerroksen aiheuttama lämpösäteily q in [kw/m 2 ]. Tehollinen heidän varusteitaan kuumentava lämpövuo q net on tekijän q in ja varusteiden pinnan lämpöhäviöiden q out [kw/m 2 ] erotus. Tilanteen kuvaus ja lämmönsiirtotekijöiden mallit esitetään kuvassa C1 ja taulukossa C1. Tilanteessa tapahtuvan lämmönsiirron ratkaisemiseksi pitää ratkaista pelastajan varusteiden pintalämpötila. Se voidaan tehdä käyttäen seuraavaa Drysdalen oppikirjassa [109] esitettyä yksidimensionaalisen x-suunnassa tapahtuvan lämmönsiirron mallia, jonka mukaan lauseke pinnan lämpötilan Ts [ o C] nousulle alkulämpötilan T0 [ o C] yläpuolelle on 2 q" net 4D1t x x Ts T0 exp x erfc. (9.1) k 1 4D1t 4D1t missä t [s] on aika, k1 [WK -1 m -1 ], c1 [JK -1 kg -1 ] ja 1 [kgm -3 ] ovat pintamateriaalin lämmönjohtavuus, ominaislämpö ja tiheys sekä D1 [m 2 s -1 ] = k1/(c1 1) on sen lämpötilan johtavuus (terminen diffusiviteetti). Pinnalla x = 0 ja silloin sekä eksponenttifunktion että errorfunktion komplementtifunktion (erfc) arvot on 1. Pinnan lämpötilan kehittymisen matemaattinen siis yksinkertaistuu muotoon T s 2 q" k t 2 t T. (9.2) k c net 1 0 q" net k1 c11 Pinta lämpenee sitä hitaammin, mitä korkeampi sen terminen hitaus k1c1 1 [J 2 s -1 K -2 m -4 ] on Tuloksena saatava lämpövuon q net riippuvuus lämpövuosta q in esitetään kuvassa C2. Kuva 9.1. Kaaviokuva pelastushenkilökunnan altistumisesta kuumuudelle rakennuksen sisällä, kun he ovat loitolla palopesäkkeestä.

96 (95) Taulukko 9.1. Lämmönsiirtotekijöiden mallit [110,111,112]. a) b) Kuva 9.2. a) Lämpövuon q net riippuvuus lämpövuosta q in ja b) suhteen q net/ q in riippuvuus lämpövuosta q in.

97 (96) Taulukko 9.2. Pelastushenkilökunnan pukimien lämpöteknisiä ominaisuuksia [113,114,115,116]. Se, miten voimakkaasti lämpörasitus q net altistaa pelastushenkilöstöä kuumuudelle riippuu heidän varusteidensa lämpöteknisistä ominaisuuksista. Suomessa asiaa ei ole tutkittu kvantitatiivisesti ja siksi käytämme Yhdysvalloissa tehtyjen tutkimusten tuloksia. Niiden mukaan suojavaatteissa on kolme olennaista kerrosta, joiden lämpötekniset ominaisuudet esitetään taulukossa C2. Taulukossa esitetään lisäksi suojavaatteen ominaisuudet, kun sitä tarkastellaan redusoituna kahteen kerrokseen. Pinnan emissiivisyys on noin 0,9 [113] ja lämmönsiirtokertoimelle voidaan käyttää taulukossa C1 esitettyä arvoa 13 WK -1 m -2. Kahta kerrosta tarkastellaan siksi, että se yksinkertaistaa lämmönsiirron laskentaa vaatteen läpi. Kun lämpövuon q net ja lämpöteknisten ominaisuuksien oletetaan olevan vakiota, on Fourierin lämmönjohtavuusyhtälön ratkaisu paikan x ja ajan t suhteen pelastushenkilön ihoa vasten olevalle vaatteen sisemmälle kerrokselle [117,113]

98 (97) erf " exp " n n net n n net D t n D D x x n D D x x D D k q D t n D D x x D t D D k q T. (9.3) missä x [m] on kerrosten rajapinnan etäisyys lämmölle altistuvasta pinnasta (jolle paikkakoordinaatti x = 0), c k c k c k c k c k c k (9.4) kun ki [WK -1 m -1 ], ci [JK -1 kg -1 ] ja i [kgm -3 ] ovat materiaalin i = 1 tai 2 lämmönjohtavuus, ominaislämpö ja tiheys sekä Di [m 2 s -1 ] = ki/(ci i) ovat niiden lämpötilan johtavuudet (termiset diffusiviteetit). Lämpövuo suojavaatteen sisäpinnalla x = xmax on max 2 1 2" x x x T k q. (9.5) Kuvassa C3a esitetään tätä kaavaa käyttäen lasketut tulokset suojavaatteen alla vallitsevan lämpötilan ajallisesta kehittymisestä savukerroksen tuottaman lämpösäteilyn voimakkuuden arvoille 4 10 kw/m 2. Kuvassa C3b esitetään suojavaatteen alla vallitsevan maksimilämpötilan riippuvuus savukerroksen tuottaman lämpösäteilyn voimakkuudesta. Kuvassa C3c esitetään suojavaatteen alla vallitsevan lämpövuon ajallinen kehittyminen. Suojavaatteen läpi tulevien lämpötilojen tulkitseminen kuumuuden siedettävyyden suhteen ei ole mutkatonta, koska lämmön fysiologiset vaikutukset riippuvat siitä, kuinka paljon lämpöenergiaa siirtyy altistuvan henkilön ihon pinnalle ja siitä edelleen syvemmälle kudoksiin [118]. Lämmönsiirto elävään kudokseen on varsin monimutkainen ja lukuisia epävarmuustekijöitä sisältävä ilmiö. Siksi käytännön vaara-arvioinneissa käytejoka useimmiten määritellään käyttäen englantilaista määritelmää [119] q t 3 4 / 2 " [(kw/m 2 ) 4/3 s] (9.6)

99 (98) t [s] on lämmölle altistumisaika. Pinnallisen 2. asteen palovamman (rakkulan syntyminen) syntymiseen tarvittavan lämpöannoksen suuruuden arviot vaihtelevat jonkin verran: esim. viitteen [118] se vaihtelee välillä (kw/m 2 ) 4/3 s ja viitteiden [120, 121] mukaan välillä (kw/m 2 ) 4/3 s. Varsinaisen 2. asteen palovamman syntymiseen vaadittava annos on viitteen [120] mukaan 1200 (kw/m 2 ) 4/3 s. Tässä tarkastelussa käytetään rajana arvoa 300 (kw/m 2 ) 4/3 s. Lämpöannos savukerroksen tuottaman lämpösäteilyn voimakkuuden arvoille 4-10 kw/m 2 esitetään kuvassa C4a. Altistusaikojen pituudet, joilla saavutetaan lämpöannoksen arvo 300 (kw/m 2 ) 4/3 s esitetään kuvissa C4b ja C4c, joista edellinen esitetään käyttäen savukerroksen tuottaman lämpösäteilyn voimakkuutta ja seuraava tätä lämpösäteilyä vastaavan adiabaattisen pintalämpötilan (AST) avulla. Nähdään, että kun adiabaattinen pintalämpötila on pienempi kuin noin 250 o C, aikaviive mahdollisten pinnallisten palovammojen syntyyn on pitempi kuin 10 minuuttia. On lisäksi huomattava, että ajat ovat arvioitu alaspäin, koska tarkastelu ei ota huomioon pelastushenkilöiden kehon reaktioita, esim. hikoilua, joilla se pyrkii puolustautumaan lämpörasitusta vastaan. a) b) c) Kuva 9.3. a) Suojavaatteen alla vallitsevan lämpötilan ajallisesta kehittyminen savukerroksen tuottaman lämpösäteilyn voimakkuuksille 4 10 kw/m 2. b) Suojavaatteen alla vallitsevan maksimilämpötilan riippuvuus savukerroksen tuottaman lämpösäteilyn voimakkuudesta. c) Suojavaatteen alla vallitsevan lämpövuon ajallinen kehittyminen.