RUOSTUMATTOMASTA TERÄKSESTÄ VALMISTETTUJEN PUURAKENTEIDEN LIITOSTEN PALONKESTÄVYYS Palotutkimuksen päivät 27. 28.8.2007 T. Oksanen, A. Kevarinmäki, R. Yli Koski. O. Kaitila VTT Esitys perustuu tutkimukseen Ruostumattomalla teräksellä palonkestäviä puurakenteiden liitoksia, joka alkoi 2003 alussa ja päättyi syksyllä 2005. Tutkimusta rahoittivat Tekes, Outokumpu Stainless Oy, Wood Focus Oy, Anstar Oy, MiTek Finland Oy, Late Rakenteet Oy, Stalatube Oy ja VTT. Tavoitteena oli kehittää kokeellisesti varmennetut suunnittelumenetelmät ruostumattomasta teräksestä valmistetuille R30 ja R60 paloluokan puurakenteiden liitoksille sekä hyödyntää ruostumattoman teräksen joitakin hiiliterästä parempia ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa. 11.9.2007 2 1
Materiaaliominaisuudet Ruostumattoman ja hiiliteräksen termiset ominaisuudet LÄMMÖNJOHTAVUUS ( W/mK ) 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 LÄMPÖTILA ( oc ) hiiliteräs ruostumaton teräs OMINAILÄMPÖKAPASITEETTI ( J/kgK ) 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 200 400 600 800 1000 1200 LÄMPÖTILA ( oc ) hiiliteräs ruostumatonteräs Kuva 1. Termisten ominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta, Euro Inox & VTT, 2002 ja EN 1993 1 2:2003. 11.9.2007 3 Ruostumattoman ja hiiliteräksen mekaaniset ominaisuudet reduktiokerroin 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 hiiliteräs 1.4301 1.4401 1.4571 1.4462 30 min 60 min 0 842 945 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 C Kuva 2. Myötölujuuden riippuvuus lämpötilasta (30 min = kaasun lämpötila 30 min jälkeen, 60 min = kaasun lämpötila 60 min jälkeen); Euro Inox & VTT (2002), teräs 1993 1 2:2003. 11.9.2007 4 2
1 0.9 0.8 reduktiokerroin 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 842 945 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 hiiliteräs 1.4301, 1.4401, 1.4571 ja 1.4462 30 min 60 min o C Kuva 3. Kimmokertoimen riippuvuus lämpötilasta (30 min = kaasun lämpötila 30 min jälkeen, 60 min = kaasun lämpötila 60 min jälkeen), Euro Inox & VTT (2002) ja EN 1993 1 2:2003. Ruostumattoman teräksen lämpölaajenemiskerroin (~18 x 10 6 C) on suurempi kuin hiiliteräksen (12 x 10 6 C). 11.9.2007 5 Tutkimuksen sisältö ja toteutus: Liitosten palonkestävyyskokeita koskeva kirjallisuusselvitys Liitoskokeita sekä normaalilämpötilassa että korkeissa lämpötiloissa tappivaarna, pultti, liimatanko ja palkkikenkäliitoksilla sekä uuden tyyppisillä holkkiliitoksilla Koetulosten analysointi Lisäksi naula ja ruuvikokeita Liitosten mallinnusta ja laskentatuloksia Tutkimusprojektin tulokset on julkaistu Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen puurakenteiden liitosten palonkestävyys (VTT Working Papers 29) Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen puurakenteiden liitosten suunnittelu Yleiset ohjeet ja palomitoitus (VTT Working Papers 38) Ruostumattomien terästen mitoitusperusteet puurakenteiden liitoksissa (VTT:n Tiedotteessa 2279) 11.9.2007 6 3
Palkkikenkäliitosten palonkestävyys Tehtiin kaksi koetta suojaamattomilla koekappaleilla, tavoite 30 min Kuvan 4 mukaisella palkkikengällä (t= 2mm) palonkestävyys 22 min (liitettävä palkki 90x270 mm 2 ) Muutettiin palkkikengän muotoa, kasvatettiin liittimien reunaetäisyyksiä, pidennettiin ruuveja (40 mm / 60 mm) ja pienennettiin suhteellista kuormaa (55% / 46% keskipitkän aikaluokan), jolloin palonkestävyys 27 min Murto tapahtui molemmissa tapauksissa naulauksen irrottua sivulta ja sen seurauksena myös päädystä. 11.9.2007 7 Kuva 4. Palkkikenkäliitos (koe 1) uuniin asennettuna ennen koetta. 11.9.2007 8 4
Kuva 5. Palkkikenkä kokeen jälkeen. 11.9.2007 9 Kuva 6. Palkkikenkäliitos kokeen jälkeen, kun hiiltymä poistettu 11.9.2007 10 5
Tappivaarnaliitokset Tehtiin kaksi suojaamatonta tappivaarnaliitoskoetta teräslevyllisillä 4 leikkeisillä liitoksilla, tavoite 60 min Koe 1: liimapuu L40, puun sisään sijoitetut S355 teräslevyt 8 mm paksuja ja haponkestävät tappivaarnat 24 Ø 12 mm Koe 2: kertopuuta Kerto S, puun sisään sijoitetut haponkestävät teräslevyt (EN 1.4432) 6 mm paksuja ja haponkestävät tappivaarnat 31 Ø 10 mm 11.9.2007 11 Kuva 7. Tappivaarnaliitoskoekappale liimapuussa. 11.9.2007 12 6
Kuva 8. Tappivaarnaliitoskoekappaleet 11.9.2007 13 LP liitoksen kuormitusaste oli 0,3 ja se menetti kantavuutensa ajassa 56 min. Murto tapahtui hauraasti. KP liitoksen kuormitusaste oli 0,28 ja se menetti kantavuutensa ajassa 67 min. Murto tapahtui sitkeästi. Teräslevyjen lämpötiloissa ei kovin paljon eroja ennen kuin kokeen lopussa, jolloin liitos alkoi aueta. Teräslevyjen lämpötilat 60 min kohdalla noin 200 275 o C ja ennen murtoa noin 300 400 o C. Pelkille tappivaarnoille tehdyissä lämpötilamittauksissa 60 min kohdalla ja 95 mm etäisyydellä puupinnasta lämpötilaksi saatiin haponkestävillä tappivaarnoilla noin 200 o C. Vastaavassa paikassa hiiliterästapeilla lämpötila oli noin 100 o C korkeampi 11.9.2007 14 7
Kumpikin liitos murtui keskimmäisen lamellin puuosan pettäessä. Tappivaarnat pysyivät keskimmäisessä lamellissa suorina eikä teräslevyihin tullut pysyviä muodonmuutoksia. KP liitos murtui sitkeästi liitoksen avautuessa vähitellen kokeen loppuvaiheessa 10 15 min ajan. Osa tapeista taipui ulompien puiden osalla ja reiät tulivat keskipuussa 40 50 mm soikeiksi. LP liitos murtui hauraasti tappirivien kohdalle muodostuneiden halkeamien vuoksi. LP liitoksen halkeaminen saattoi johtua teräslevyjen lämpölaajenemisesta aiheutuneista puun poikittaisista vetojännityksistä (tiukat reiät puussa ja teräslevyissä). KPliitoksen teräslevyissä oli hieman väljät reiät ja teräsosat olivat ohuempia. 11.9.2007 15 Kuva 9. Liimapuun tappivaarnaliitos palon jälkeen. 11.9.2007 16 8
Kuva 10. Kertopuun tappivaarnaliitos palon jälkeen. 11.9.2007 17 KUORMITUSASTEEN VAIKUTUS LIITOKSEN PALONKESTÄVYYTEEN (PL=pultit+teräslevy, P=pultit, PT=pultit+tapit) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 F1/Nu 0.3 0.2 0.1 0.0 0 10 20 30 40 50 60 TIME (min) PL4x12 PL8x12 PL16x12 PL8x20 PL16x20 P8x12 P8x20 PT2+6x12 PT2+6x20 PT4+12x20 Kuva 11. Kuormituksen vaikutus liitoksen palonkestävyyteen hiiliteräksellä. 11.9.2007 18 9
Liitoksen lämpötilanlaskenta Liitosten lämpötilan laskentaan käytettiin elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmaa FEMLAB 3.1 ja siihen kytkettävää Heat Transfer Modulea (johtuminen, konvektio, säteily). Mallien geometria tehtiin kaksiulotteisena. Ruostumattoman teräksen termiset ominaisuudet kuten edellä. Puun lämmönjohtavuutena ja ominaisläpökapasiteettina käytettiin lämpötilavälillä 0 300 o C puun arvoja ja tästä eteenpäin hiilen arvoja. Puun termisistä ominaisuuksista ei kirjallisuudessa ole sellaista yksimielisyyttä kuin teräksen ominaisuuksista. Laskennassa käytetyt arvot saatu muuntamalla Fredlundin, 1988, esittämiä arvoja. 11.9.2007 19 Laskelmat tehtiin sekä kuivalla puulla että kosteuspitoisuudeltaan 12 %:lla puulla Tappivaarnaliitoksen mallinnus Poikkileikkauksesta mallinnettiin ¼ symmetriareunaehtoja hyväksikäyttäen Yläpinnalla ja oikealla sivulla oli standardipalokäyrän mukainen palorasitus, josta lämmönsiirto tapahtui säteilyn ja konvektion kautta rakenteeseen. Puupinnan emissiivisyytenä käytettiin 0,5 ja rst pinnan emissiivisyytenä 0,4. Konvektiolämmönsiirtokerroin laskennassa oli 25 W/m 2 K 11.9.2007 20 10
0.50 2500 0.45 0.40 0.35 ominaislämpö, 12 % kosteus 2000 LÄMMÄNJOHTAVUUS ( W7mK) 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 ominaislämpö, kuiva puu lämmönjohtavuus 0 0 200 400 600 800 1000 1200 LÄMPÖTILA ( oc ) lämmönjohtavuus kuiva ominaislämp.12% ominaislämp. kosteus 1500 1000 500 OMINAISLÄMPÖKAPASITEETTI (J/kgK) Kuva 12. Laskennassa käytetyt puun termiset ominaisuudet. 11.9.2007 21 ISO 834 64 47 Tappivaarna 1 12 ISO 834 202 76 155 Teräslevy 12 Tappivaarna 2 38 37.5 10 60 Adiabaattinen symmetriareunaehto 107.5 Kuva 13. Mallinnettu poikkileikkaus 11.9.2007 22 11
Kuva 14. Lämpötilajakauma t = 30 min ja t = 60 min. 11.9.2007 23 Verrattaessa 60 min kohdalla kertopuisen rsttappivaarnaliitoksen teräslevyn kokeessa mitattuja lämpötiloja (200 275 o C) laskettuihin arvoihin, kokeelliset arvot olivat hiukan korkeampia. Pelkille tappivaarnoille tehdyissä lämpötilamittauksissa 60 min palorasituksen jälkeen lämpötila oli keskimäärin noin 200 o C (etäisyys 95 mm) ja laskennallisesti 240 o C (etäisyys 107,5 mm). Ohjelma ei huomioi hiilikerroksen halkeamista eikä palojen putoamista vaan olettaa hiilikerroksen pysyvän yhtenäisenä. 11.9.2007 24 12
Suunnitteluohje Mitoitus perustuu standardoituun lämpötilaaikariippuvuuteen (EN 1991 1 2:2003) Ruostumattomien teräsosien mitoituksessa käytetään standardeja EN 1993 1 1:2003, EN 1993 1 2:2003 sekä julkaisua Euro Inox & VTT (2002) Puuosien mitoituksessa käytetään standardeja EN 1995 1 1:2003 ja EN 1995 1 2:2003. Lisäksi annetaan erityisohjeita edellä kuvattujen liitosten mitoittamiseen Mahdolliset rakenteen toimintatavassa tapahtuvat muutokset sekä lämpölaajeneminen ja puupoikkileikkauksen hiiltyminen on myös huomioitava. Esimerkkilaskelmia 11.9.2007 25 13