CC BY
25
dr inz. Daniel PIENIAK
kpt. dr inz. Pawe! OGRODNIK
mgr inz. Marcin OSZUST
bryg. mgr inz. Les!aw DEC
Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej
Wydzial Inzynierii Bezpieczenstwa Pozarowego
Katedra Techniki Pozarniczej, Zaklad Mechaniki Stosowanej
NIEZAWODNOSC W WYSOKICH TEMPERATURACH KLEJONEGO WARSTWOWO DREWNA SOSNY POSPOLITEJ W ZAKRESIE WYTRZYMALOSCI NA ZGINANIE STATYCZNE
Reliability at high temperatures of glued laminated pine timber in the static
bending strength
Streszczenie
Drewno klejone ze wzgl^du na swoje wlasciwosci, jest coraz cz^sciej wykorzystywane. Technologia ta umozliwia wytworzenie elementow konstrukcyjnych o duzych przekrojach poprzecznych i znacznych rozpi^tosciach. Drewno klejone warstwowo, po odpowiedniej obrobce powierzchni i zachowaniu parametrow przekroju jest materialem slabo rozprzestrzeniaj^cym ogien, a dodatkowo impregnowane jest materialem nierozprzestrzeniaj^cym ognia. Pomimo to, drewno w wysokich temperaturach traci swoje wlasciwosci, a co za tym idzie najprawdopodobniej spada jego wytrzymalosc. W badaniach wlasnych dokonano analizy wytrzymalosci na zginanie statyczne drewna klejonego w wysokich temperaturach, zblizonych do temperatur pozaru. Na podstawie uzyskanych wynikow okreslono prawdopodobienstwo zniszczenia elementu konstrukcji obci^zonego statycznie w kolejnych przedzialach temperaturowych. Wykazano znacz^cy spadek niezawodnosci drewna klejonego oraz zaobserwowano zwi^kszon^. dynamik^ wzrostu poziomu zagrozenia po przekroczeniu temperatury 150°C.
Summary
Due to its properties glued timber is a commonly used material nowadays. Such technology enables production of the structural elements with large cross-sections and considerable span. The glued laminated timber after a proper surface treatment and with the preserved cross-section parameters, is a low fire spreading material, moreover it is additionally treated with a fire retardant. In spite of this, timber loses its properties in high temperatures, which most probably results in the strength reduction. In the conducted studies static bending strength analysis of the glued laminated timber in high temperatures, close to the fire conditions, was performed.
Based on the obtained results, probability of failure of the structural element statically loaded, in the subsequent temperature ranges, was estimated. A significant reliability decrease of the glued laminated timber and dynamic of the hazard level growth has been observed after exceeding 150°C.
Slowa kluczowe: drewno klejone, temperatury pozarowe, wytrzymalosc na zginanie, niezawodnosc
Keywords: glued timber, fire temperatures, bending strength, reliability
1. Wst^p
Drewno budowlane ma korzystne wlasciwosci fizyczne i technologiczne, wysok^. wytrzymalosc oraz niewielki ci?zar wlasny. Wraz z pojawieniem si? na rynku budowlanym wodoodpornych klejow na bazie zywic syntetycznych oraz zastosowanie prostego sposobu l^czenia wzdluznego za pomoc^ zl^czy klinowych, umozliwiaj^cych znacznie szybszy sposob budowania z wykorzystaniem klejonych elementow konstrukcyjnych o wymiarach wi?kszych niz naturalny produkt wyjsciowy [1].
Drewno konstrukcyjne klejone warstwowo jest materialem coraz cz?sciej stosowanym w budownictwie. Pocz^wszy od budowy domow jednorodzinnych i wielorodzinnych oraz obiektow wielkogabarytowych typu hale produkcyjne, handlowe, sportowe, baseny, koncz^c na mostach jednoprz?slowych i obiektach malej architektury. Do produkcji elementow z drewna klejonego najcz?sciej stosowanym gatunkiem drewna jest sosna oraz swierk rzadziej modrzew. Podstawowym klejem stosowanym do produkcji tego typu drewna jest klej melaminowy ktory jest odporny na dzialanie wody i ognia. Alternatywnym rozwi^zaniem jest klej rezorcynowy ktory jest szczegolnie odporny na dzialanie wilgoci. Obydwa rodzaje klejow nie wydzielaj^. zadnych szkodliwych substancji nawet podczas pozaru [2].
W zaleznosci od wytrzymalosci charakterystycznej na zginanie drewno klejone zostalo podzielone na 4 klasy od GL24 do GL36. Wytrzymalosciowe sortowanie tarcicy budowlano-konstrukcyjnej zgodnie z wymaganiami normowymi (PN-D-91024:1982 [3]) odbywa si? wizualnie (dla klas GL24 oraz GL28) oraz mechanicznie dla klas wyzszych (GL32 oraz GL36). Taki sposob sortowania powoduje, ze najbardziej dost?pnymi klasami jest GL24 oraz GL28 (PN-EN 1194:2000 [4]).
Drewno klejone warstwowo, po zapewnieniu odpowiednich warunkow takich jak fazowane kraw?dzie oraz strugana powierzchnia, jest materialem odpornym na dzialanie
ognia. Zgodnie z wytycznymi Instytutu Techniki Budowlanej elementy tego typu przy szerokosci ponizej 12 cm, klasyfikuje siç jako SRO (slabo rozprzestrzeniaj^ce ogien). Przy szerokosci przekraczaj^cej 12 cm lub ponizej 12 cm przy dodatkowej impregnacji srodkiem ogniochronnym jako elementy NRO (nierozprzestrzeniaj^ce ognia). Odpornosc ogniow^. w zakresie od R15 do R60 w drewnie klejonym uzyskuje siç na etapie projektowania poprzez odpowiedni^. analizç statyczn^. oraz dobor przekrojow [2].
Wykonywane dotychczas przez autorow proby na typowych stanowiskach wytrzymalosciowych z wstçpnym nagrzaniem probek w piecu a nastçpnie z przenoszeniem na stanowisko badawcze powodowaly spadek temperatury podczas przenoszenia probek, a co za tym idzie duze rozrzuty wynikow badan wytrzymalosci. W zwi^zku z tym w Zakladzie Mechaniki Stosowanej Szkoly Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie w ramach pracy statutowej zaprojektowano i zbudowano stanowisko do badan wytrzymalosciowych z mozliwosci^. ogrzewania probek bezposrednio na stanowisku przy jednoczesnej realizacji obci^zenia statycznego.
Celem badan wykonanych na tym stanowisku bylo okreslenie wplywu podwyzszonych temperatur na wytrzymalosc drewna klejonego warstwowo. Ponadto, uzyskane wyniki badan wytrzymalosci posluzyly do przeprowadzenia analizy niezawodnosci drewna klejonego w wysokich temperaturach.
Najogolniej, niezawodnosc jest miar^ zdolnosci do spelniania warunkow, b^dz utrzymania pewnych wlasciwosci w czasie, ktory najczçsciej jest ograniczony i okreslany mianem resursu. W przypadku konstrukcji statycznych mozliwa jest ocena niezawodnosci na podstawie prawdopodobienstwa nie przekraczania stanu granicznego nosnosci lub zniszczenia konstrukcji [5]. Prawdopodobienstwo zniszczenie b^dz inaczej nieprzetrwania moze byc okreslone na podstawie rozkladu zmiennej losowej wytrzymalosci materialu oraz rozkladu tej zmiennej w funkcji temperatury otoczenia, w ktorym obiekt siç znajduje. Przyjçcie powyzszego sprowadza niezawodnosc konstrukcji do niezawodnosci wytrzymalosci jej elementow skladowych. Pojçcie niezawodnosci wytrzymalosciowej okresla w sposob rownie syntetyczny, co trafny, zarowno istotç wszelkich badan czy dociekan wytrzymalosciowych jak i ich cel ostateczny [6]. W tym konkretnym przypadku zawodnosc jak juz wspomniano jest rownoznaczna z prawdopodobienstwem nieprzetrwania obiektu inzynieryjnego b^dz jego elementu, a niezawodnosc jest prawdopodobienstwem przetrwania. Bardzo istotn^. kwesti^. w analizie niezawodnosci konstrukcji jest poziom analizy niezawodnosciowej. Analiza moze byc prowadzona w zakresie deterministycznych ocen statyczno-wytrzymalosciowych oraz probabilistycznej oceny bezpieczenstwa konstrukcji. Wyroznia siç trzy poziomy analizy: na
poziomie punktu - scislej czqstki materialu konstrukcyjnego, na poziomie sekcji - tzn. przekroju elementu konstrukcji, na poziomie obiektu, czyli ukladu konstrukcyjnego budowli [5]. W prezentowanej publikacji analizy dokonano na poziomie pierwszym w oparciu o wyniki badan wytrzymalosci doraznej w wysokich temperaturach.
2. Badany materia!
Probki do badan zostaly wykonane z drewna bielastego sosny pospolitej (Pinus sylvestris L.) jednesnie wszystkie probki zostaly pobrane z tego samego kawalka tarcicy. Do wykonania probek zostal wykorzystany klej melaminowy Cascomin 1247 z utwardzaczem 2526. Zgodnie z informacjami podawanymi przez producenta klej Cascomin przeznaczony jest do zastosowan w produkcji drewnianych konstrukcji nosnych, polqczen palcowych i plyt blokowych. Klej 1274 w polqczeniu z utwardzaczem 2526 znajduje zastosowanie w aplikacjach przemyslu drzewnego, gdzie wymagana jest jasna spoina klejowa z wysokq odpornosciq na wod? i warunki atmosferyczne [7]. Przed przystqpieniem do badan probki lezakowaly w temperaturze 20°C przez okres 6 miesi^cy i mialy wilgotnosc okolo 8%. Probki do badan wytrzymalosci na zginanie statyczne zostaly wykonane w formie prostopadloscianow o wymiarach 20x20x300 mm (rys. 1).
PtASZCZYZNA KLEJENIA
Ryc. 1. Probki do badan wytrzymalosci na zginanie/
3. Metoda badawcza
Badanie wytrzymalosci przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymalosciowej FPZ 100/1 (VEB Thuringer Industriewerk Rauenstein, Germany), ktora umozliwia obciqzenie silq. statycznq oraz utrzymania jej w ukladzie pionowym na stalym zalozonym poziomie. Maksymalna wytwarzana przez maszyn? sila statyczna wynosi 100kN. Maszyna ma cztery zakresy pr^dkosci przesuwu trawersy. W czasie badan uzyty zostal zakres pr^dkosci przesuwu trawersy I/III, ktory pozwala na przesuw trawersy z pr^dkosciq 0,021-0,84 mm/min..
Próbki podczas badania wytrzymafosci na zginanie umieszczone byfy w stalowej izolowanej cieplnie komorze cylindrycznej (rys. 2). Wzrost temperatury w komorze podczas badania uzyskano poprzez zastosowanie urz^dzenia umozliwiaj^cego nawiew gor^cego powietrza (GHG 650 LCE, Bosch, Germany). Zakres temperatur uzyskiwanych u wylotu dyszy wynosiï 50-560°C, a strumien gor^cego powietrza mozna byfo regulowac w zakresie 250-500 l/min. Czas nagrzewania okreslono jako czas, po którym termopar^ umieszczon^ wewn^trz próbki zmierzono temperatura przyjçt^ w planie badan (rys.2). Oceny wytrzymafosci dokonano w szesciu zakresach temperatury przy stalych czasach nagrzewanie podanych w nawiasach obok wartosci temperatury: 20 °C, 50 °C (90s), 100 °C (140s), 150 °C (180s), 200 °C (240s), 230°C (280s).
Ryc. 2. Rozmieszczenie termoelementów do okreslenia czasów nagrzewania próbek: 1 - próbka, 2 - stalowa komora cylindryczna, 3 - termoelementy pomiarowe, 4 - wlot
gor^cego powietrza
4. Wyniki badañ
Badanie przeprowadzono na 54 próbkach z drewna sosnowego klejonego warstwowo, uzyto po 9 próbek w kazdym przedziale temperatury. Parametry statystyczne uzyskanych wyników badan wytrzymafosci na zginanie przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1.
Statystyki opisowe wynikow badan
Temp. [°C] N Srednia / Mean Min Max 25 Percen. 75 Percen. Odchyl. Std./ Std.Dev. Odchyl. Std./ Std.dev. [%]
[MPa]
20 9 85,75 81,00 90,00 83,25 90,00 3,81 4,44
50 9 75,75 67,50 85,50 72,00 76,50 6,16 8,13
100 9 56,75 49,50 69,75 49,50 60,75 7,01 12,34
150 9 46,50 36,00 58,50 40,50 54,00 7,79 16,76
200 9 32,00 24,75 38,25 27,00 36,00 5,00 15,63
230 9 24,50 18,00 29,25 22,50 27,00 3,27 13,34
Graficzne miary zmiennosci uzyskanych wynikow badan przedstawiono na wykresie ramkowym (rys. 3), wyrozniono wartosci srednie, przedzialy ufnosci, odchylenia standardowe oraz wartosci ekstremalne i odstaj3.ce.
t^OT [degC]
Ryc. 3. Wykres ramkowy wynikow wytrzymalosci na zginanie
5. Niezawodnosc
Analiza niezawodnosci drewna konstrukcyjnego klejonego zostala przeprowadzona w oparciu o wyniki uzyskane w probie wytrzymalosciowej trojpunktowego zginania. Analizowano prawdopodobienstwo przetrwania - nie zniszczenia w funkcji wytrzymalosci
(rys. 4) oraz w funkcji temperatury symulowanych warunkow pozarowych (rys. 5). W analizie wykorzystano dwuparametrowy rozklad Weibulla. Dystrybuanta rozkladu Weibulla (z dodatnimi parametrami o0, c, i ou), jest opisana zaleznosci^ [8]:
gdzie:
g - obciqzenie niszczqce, g0 - parametr skali, c - parametr ksztaltu, au - parametr polozenia, e - stala (e = 2.71828...), V - objqtosc pröby.
Pf = 1 - exp
- V
( Y o-a„
(1)
W analizowanym przypadku Pf jest prawdopodobienstwem zniszczenia probki z drewna klejonego. WartosC tego prawdopodobienstwa okreslona jest w zbiorze liczb od 0 do 1.
W przypadku gdy znamy wartosc obci^zenia, przy ktorym prawdopodobienstwo zniszczenia jest rowne zeru (w prezentowanej analizie jest to najwi^ksza znana wartosc obci^zenia niszcz^cego w temperaturze 20°C), prawdopodobienstwo to mozna obliczyc z ponizszej zaleznosci:
Pf = ( ^T) (2)
gdzie:
N* - calkowita liczba pröbek, n - rangowany zbiör pröbek.
W przypadku gdy licznosc - obj^tosc proby V jest stala we wszystkich grupach (po 9 dla kolejnych zakresow temperatury), mozna j^. pomin^c w obliczeniach [9, 10].
Przyj^cie parametru polozenia ou = 0 sprowadza rozklad Weibulla do dwuparametrowego. Zalozenie powyzsze w przypadku materialow kruchych, sprowadza
zakres prawdopodobienstwa zniszczenia do pocz#ku w miejscu znanej wczesniej wspomnianej najwi^kszej wartosci obci^zenia niszcz^cego. Przy tych zalozeniach rownanie przyjmie nast^puj^ca postac:
1" P =1"
1 - exp
^c
V J
(3)
Powyzsze rownanie moze byc uproszczone, przy uzyciu logarytmowania do postaci y ax + b przez:
ln
ln
V ps J
= c ln(a) - c ln(CT0)
(4)
gdzie:
Ps - prawdopodobienstwo przezycia (rowne 1 - Pf).
Ryc. 4. Rozklad logarytmiczny prawdopodobienstwa zniszczenia w funkcji wytrzymalosci na zginanie drewna klejonego poddanego oddzialywaniu wysokich temperatur
Przeci^cie osi Y jest zalezne od - cln{tr0) nachylenie krzywej jest parametrem ksztaltu rozkladu Weibulla c (c = 2,37258). Licznosc proby badawczej wplywa na wartosc
wspôlczynnika determinacji R2, ktôry decyduje o jakosci predykcji parametrôw rozkladu Weibull'a [11]. Oznacza to, ze im jest on wyzszy tym wyzsza jest jakosc doboru parametru ksztaltu rozkladu (R2 = 0,9469 - rys. 4).
Rozklady prawdopodobienstwa nie zniszczenia w funkcji wytrzymalosci na zginanie i temperatury przedstawiono na rysunkach 5 i 6.
ад
0,2 од о
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Bending Strength [MPa]
Ryc. 5. Prawdopodobienstwo nie zniszczenia drewna klejonego poddanego obrôbce termicznej w funkcji wytrzymalosci na zginanie
Ryc. б. Prawdopodobienstwo nie zniszczenia drewna klejonego poddanego obróbce
termicznej w funkcji temperatury
б. Funkcja zagrozenia - intensywnosc prawdopodobienstwa zniszczenia
Intensywnosc prawdopodobienstwa zniszczenia jest to prçdkosc, z któr^ przyrasta zawodnosc w kolejnych zakresach temperatury w stosunku do niezawodnosci, która w tym przypadku okreslana jest mianem prawdopodobienstwa przetrwania.
h(T )=dSldL (4)
R(T)
gdzie:
Q - zawodnosc, T - temperatura [°C], R(T) - niezawodnosc.
Rozklad intensywnosci prawdopodobienstwa zniszczenia - przebieg funkcji zagrozenia przedstawiono na rysunku 7.
Rys. 7. Intensywnosc prawdopodobieйstwa zniszczenia w funkcji temperatury
Utylitaryzm prezentowanej metody oceny niezawodnosci materialów konstrukcyjnych jest ograniczony tylko do prezentowanego poziomu analizy niezawodnosci - poziom pierwszy odnosz^cy siç do jednego z elementów konstrukcji. Oznacza to, z prezentowana analiza nie uwzglçdnia redystrybucji sil do innych elementów konstrukcji. Jednakze w przypadku calych sekcji konstrukcji, które zazwyczaj s^. szeregowymi zbiorami elementów, w analizie niezawodnosci, ocenie czçsto poddaje siç tzw. najslabsze ogniwo. Niezawodnosc calej sekcji bçd^cej ukladem szeregowym jest w najprostszym ujçciu iloczynem niezawodnosci elementów skladowych. Model szeregowy moze byc zastosowany równiez do oceny bezpieczenstwa i niezawodnosci elementów konstrukcji statycznie niewyznaczalnych, jesli nie dopuszcza siç redystrybucji sil wewnçtrznych i zachowuje statyczny sposób obliczen, tzn. oblicza siç naprçzenia w róznych krytycznych przekrojach konstrukcji i porównuje z wytrzymalosci^. materialu [5].
7. Podsumowanie
Wraz ze wzrostem temperatury obserwuje siç wzrost odchylenia standardowego wyników wytrzymalosci na zginanie statyczne, co prawdopodobnie wynika ze zwiçkszenia siç kruchosci drewna sosnowego na skutek intensywnego wysychania i postçpuj^cego rozkladu termicznego. Jest to niekorzystne zjawisko poniewaz znacz^co ogranicza mozliwosc
oceny stanu konstrukcji oraz predykcji poziomu zagrozenia juz w pocz^tkowym stadium pozaru, gdy temperatury elementow konstrukcji s^. nizsze od temperatury zaplonu.
Prawdopodobienstwo przetrwania badanego materialu (klejonego drewna sosny pospolitej), poddanego obci^zeniom zginaj^cym spada ponizej poziomu 60% w temperaturze 150°C, po przekroczeniu tego samego zakresu temperatury obserwuje siç rowniez znacz^cy wzrost dynamiki prawdopodobienstwa zniszczenia drewna, a co za tym idzie, wzrasta poziom niebezpieczenstwa. Praktyczny sens tej informacji jest znacz^cy, poniewaz umozliwia ocenç stanu badanego elementu tylko w oparciu o pomiar temperatury, ktory oczywiscie moze bye wykonany bezstykowo. Uzyskane wyniki i symulacje na malych laboratoryjnych probkach klejonego drewna sosnowego bçdzie mozna wykorzystae przy analizie pelnowymiarowych elementow konstrukcyjnych.
Badania potwierdzily przydatnose stanowiska opracowanego w Zakladzie Mechaniki Stosowanej SGSP do badan porownawczych drewna klejonego w symulowanych warunkach temperatur pozarowych.
Literatura
1. Neuhaus H., Budownictwo drewniane, podr^cznik inzyniera, Polskie Wydawnictwo Techniczne, Rzeszow 2006;
2. Przepiorka J., Zurowski P., Konstrukcyjne drewno klejone, Inzynier Budownictwa 10, (2008), 60-64;
3. PN-D-91024:1982 Tarcica iglasta konstrukcyjna sortowana metodami wytrzymaiosciowymi;
4. PN-EN 1194:2000 Konstrukcje Drewniane. Drewno klejone warstwowo. Klasy wytrzymaiosci i okreslenie wartosci charakterystycznych;
5. Murzewski J., Niezawodnosc konstrukcji inzynierskich, Wyd. Arkady, Warszawa 1989;
6. B^k R., Burczynski T., Wytrzymalosc materialôw z elementami uj^cia komputerowego, wyd. WNT, Warszawa 2001;
7. http://www.sezam-wrzesnia.com.pl/.
8. Migdalski J., Inzynieria niezawodnosci, Poradnik. Wyd. ATR ZETOM, Warszawa 1992;
9. Stanley P., Fessler H., Sivil A.D., An engineer's approach to the prediction of failure probability in brittle components, Proceedings of the British Ceramic Society 22, (1973), 453—87;
10. Davies D.G.S., The statistical approach to engineering design in ceramics, Proceedings of the British Ceramic Society 22, (1973), 429—52;
11. Ritter J.E., Bandyopadhyay N., Jakus N., Statistical reproducibility of the dynamic and static fatigue experiments, Ceramic Bulletin 60, (1981), 798—806.
Recenzenci
dr hab. inz. Pawel Kozakiewicz dr inz. Tomasz Krysztofiak
