Citation for the original published paper (version of record): N.B. When citing this work, cite the original published paper.

Transkript

1 This is the published version of a paper published in. Citation for the original published paper (version of record): Östman, B., Brandon, D., Just, A. (218) Brandteknisk dimensionering av CLT-konstruktioner Bygg & teknik, (6): -3 Access to the published version may require subscription. N.B. When citing this work, cite the original published paper. Permanent link to this version:

2 Brandteknisk dimensionering av CLT-konstruktioner CLT, korslaminerat trä eller KL-trä som det ofta kallas i Sverige är en relativt ny byggprodukt som snabbt blivit känd och uppskattad runt om i världen. Den används främst till stommar i både höga och låga byggnader och bidrar till stabilieringen som är viktig särskilt i högre byggnader. Brandegenskaperna hos CLT som synligt material i byggnader har klarlagts [1], medan forskning om brandteknisk dimensionering av CLT-konstruktioner fortfarande pågår. Denna artikel sammanfattar nuläget. Brandteknisk dimensionering av konstruktioner Brandteknisk dimensionering av konstruktioner utförs vanligtvis genom brandprovning vid exponering enligt den så kallade standardbrandkurvan eller beräkning enligt Eurokoderna. Standardbrandkurvan innebär en stadigt ökande temperaturpåverkan utan avsvalningsfas. För träkonstruktioner kan beräkning för närvarande genomföras endast enligt denna brandexponering [2]. Brandteknisk dimensionering kan även utföras enligt ett så kallat naturligt brandförlopp det vill säga inklusive en avsvalningsfas. Detta är möjligt för ståloch betongkonstruktioner, men är helt nytt för träkonstruktioner. Dimensionering enligt standardbrandkurvan Dimensionering enligt standardbrandprovning är välkänd är träkonstruktioner. Beräkningsmetoder ingår i Eurokod [2] och förfarandet beskrivs bland annat i Brandsäkra trähus version 3. [3] Beräkningsmetod för KL-trä ingår dock inte i Eurokod, men finns med i den europeiska handboken Fire Safety in Timber Buildings [4]. Där anges en metod för att beräkna effektivt tvärsnitt hos konstruktioner av KL-trä, med reducering av hållfastheten vid brand för icke lastupptagande skikt. Endast ytterskikt och skikt parallella med ytterskikten betraktas som lastbärande, medan tvärgående skikt bidrar till att överföra skjuvkrafter mellan skikten. Enligt Eurokod kan nominella förkolningshastigheter för trä med rektangulära tvärsnitt som brandexponeras på tre eller fyra sidor sättas till: b n =,7 mm/min för limträ och LVL av barrträ b =,8 mm/min n Figur 1: Exempel på CLT element (med fem korslagda skikt). för konstruktionsvirke av barrträ lim som ingår och om det finns risk för delaminering eller inte. Med värmebeständiga lim (utan delaminering) sker förkolningen med hastigheten β på samma sätt som för konstruktionsvirke. Med icke-värmebeständiga lim (med delaminering) blir förkolningshastigheten av de första 2 mm av varje lamell fördubblad, det vill säga 2β, se figur 2. Dimensioneringsmetoden för bärförmåga för CLT följer i övrigt de allmänna principerna i Eurokod för reducerat tvärsnitt, det vill säga det ursprungliga tvärsnittet reduceras med ett effektivt förkolningsdjup d ef, där en del av tvärsnittet, d, ej räknas med i det effektiva resttvärsnittet eftersom det fått nedsatt hållfasthet på grund av temperaturökningen. Metoden kan användas vid brandförlopp upp till två timmar. Brandskyddseffekten från beklädnader (skivor och isolering på den brandexponerade sidan) beaktas enligt Eurokod. Om förkolningsdjupet i ett lastupptagande skikt är mindre än 3 mm, bör det skiktet inte beaktas vid beräkning av effektivt resttvärsnitt, hef. Generellt bestäms d av antal skikt tjocklek hos skivan av KL-trä typ av påkänning, drag eller kompression på den brandexponerade sidan Birgit Östman Linnéuniversitetet För KL-trä tillkommer två möjliga scenarior av förkolning beroende på vilket Daniel Brandon RISE Alar Just RISE Figur 2: Förkolning med och utan delaminering av förkolade lameller (KL-trähandboken). Bygg & teknik 6/18

3 Figur 3: Lägenhetsmoduler med olika stora öppningar. [9] Figur 4: Inredning och synlig instrumentering. [9] Brandprov av lägenheter utan sprinkler och räddningsinsats Sex brandprov av lägenhetsmoduler (9.1 m 4.6 m 2.7 m) genomfördes med 17 mm tjock -skikts CLT av barrträ limmad med PUR (polyuretan) som väggar och tak. Alla CLT panelerna uppfyllde den amerikanska standarden ANSI [12]. Insidan av rummen var helt eller delvis täckta med två eller tre lager av 1.9 mm brandgipsskivor typ X. Referensproven hade tre lager gipsskivor på alla invändiga ytor för att CLT inte alls skulle bidra till branden eller förkolas. Lägenhetsmodulerna hade en öppning 1,8 x 2, m vid ena kortsidan i fyra av försöken och en öppning 3,6 x 2, m i två försök. Öppningsfaktorn var,3 m½ resp..6 m½. Dessutom fanns två små öppningar med diametern 1 mm i andra kortväggen för att simulera en dörr. Fler detaljer finns i slutrapporten [9]. Lägenhetsmodulerna dimensionerades för att ge en medelsnabb brand. Den rörliga brandbelastningen motsvarade en lägenhet med sovrum, vardagsrum och kök och hade en brandbelastning på MJ/m2. Antändningskällan var en gasbrännare (2 mm 4 mm) i ett hörn och delvis under ett litet bord. Värmeut- temperaturgradient under kolskiktet, det vill säga om skiktet är skyddat eller oskyddat. Mer information finns i angivna handböcker [3, 4, ] inklusive TräGuiden. [6] Dimensionering enligt naturligt brandförlopp Brandteknisk dimensionering enligt ett så kallat naturligt brandförlopp det vill sägas inklusive avsvalningsfas är helt nytt för träkonstruktioner. Forskning pågår runt om i världen och inkluderar även inverkan av olika limtyper. Ett stort projekt har bedrivits av NFPA, den amerikanska brandskyddsföreningen och dess forskningsavdelning FPRF. Fas 1 var en förstudie som presenterade forskningsbehovet [7]. Fas 2 koncentrerade sig på frågan om CLT-konstruktioner bidrar till brandbelastningen och har genomförts i samverkan mellan SP/ RISE och NRC i Kanada. Projektet inleddes med en litteraturstudie [8]. Nedan redovisas först NFPAs studie, därefter några kompletterande studien från Nordamerika. Heat Release Rate (MW) Följande slutsatser drogs: Ventilationen har stor inverkan på brandförloppet. Den större öppningen ökade värmeutvecklingen, men minskade brandexponeringen på CLT inom rummet Bidraget från CLT ökade med ökad exponerad yta Det behövs mer brandtåliga lim för att minska risken för delaminering. 1 Test 1-2 (wide opening) 1 vecklingen var kw (för att efterlikna en brinnande papperskorg) och bibehölls tills den totala värmeutvecklingen överskred 1 kw (på grund av övertänd inredning). Försöken filmades och en mängd data samlades in, bland annat värme- och gasutveckling, temperaturer i rummet och i konstruktionen, tryck, flöden, vikter och rök. Några termoelement simulerade sprinkleraktivering och visade att sprinkler alltid skulle ha aktiverats inom,8 min, det vill sägas innan övertändning i samtliga prov. Detta bekräftades i en separat studie av lägenhetsmoduler med sprinkler installerade [11]. Figur visar jämförelse av värmeutveckling med liten och stor öppning i lägenhetsmoduler. Figur 6 visar bidraget från CLT vid olika öppningar och med olika mycket exponerad CLT. Test 1-1 (narrow opening) Bygg & teknik 6/ Figur : Värmeutveckling vid stor och liten öppning lägenhetsmoduler och utan inverkan av CLT. [9] Jämförelse av olika limtyper för CLT Brandprov i modellugn med olika lim för CLT genomfördes vid RISE som en del i det stora NFPA-projektet [1]. Det lim som använts i de fullskaliga brandproven studerades tillsammans med fyra andra lim. Resultaten visar klart att endast det lim som använts i de storskaliga försöken uppvisade delaminering, se figur 7. Ett av de andra limmen var ett nyutvecklat PURlim som kan sägas ge den andra generationens CLT, som inte delaminerar vid brandexponering. 1

4 Heat Release Rate (MW) 1 1 Test 1-2 (baseline) Test 1-3 (one wall exposed) Heat Release Rate (MW) 1 1 Test 1-6 (exposed wall and ceiling) Test 1-1 (baseline) Test 1-4 (exposed ceiling) Test 1- (exposed wall) Fire suppression a) stor öppning b) liten öppning Figur 6: Värmeutveckling i lägenhetsmoduler med inverkan av olika mycket exponerad CLT och vid olika öppningar. [9] Brandprov med olika lim för CLT har också genomförts med lägenhetsmoduler av NRC i Kanada som ett komplement till NFPAs projekt [14]. Brandprov i ett trevåningshus av CLT Ett brandprov av ett trevåningshus med CLT genomfördes hösten 217 i Estland, se figur 8. [1]. Huvudavsikten var att visa att en brandsäker skola kunde byggas i tre våningar med CLT, vilket lyckades. Flera olika koncept ingick, bland annat att använda CLT med tjockt ytterskikt för att minska tiden tills limskiktet utsätts för höga temperaturer och riskerar att delaminera, att inkludera synligt trä in- och utvändigt och att studera olika detaljlösningar. Branden initierades på den nedre våningen och pågick i cirka två timmar utan sprinkler eller räddningsinsats. Den nådde endast kanten till det övre fönstret, men tredje våningen var invändigt helt intakt då branden avtagit och försöket avbröts. Jämförelse med andra länder Det finns stora skillnader i krav på CLT mellan olika länder. I USA och Kanada måste lim för limträ klara ett prov vid 22 C, vilket nyligen har utvidgats till att gälla även CLT [12]. Det har kompletterats med ett krav på att klara ett småskaligt brandprov och ett fullskaligt rumsbrandprov för att undvika delaminering [13]. I Europa, Australien och Japan finns krav på lim endast vid cykler av varmt-kallt och vått-torrt som inte tar hänsyn till brandpåkänning. I Australien och Nya Zeeland finns dock krav på att endast värmetåliga lim får användas [16]. I Europa har en metod utvecklats som tar hänsyn till delaminering genom ökad förkolningshastighet. Metoden kommer att inkluderas i den nya versionen av Eurokod, som beräknas bli klar 222. Den finns redan publicerad i bland annat KL-trähandboken. [] Slutsatser Brandteknisk dimensionering av CLTkonstruktioner genomförs oftast genom provning eller beräkning vid exponering enligt standardbrandkurvan. För CLT måste hänsyn tas till vilket lim som använts. För värmetåliga lim kan beräkning enligt nuvarande Eurokod användas, men för icke-värmetåliga lim måste hänsyn tas till risk för delaminering genom att använda högre förkolningshastighet. Ett sätt att undvika risk för delaminering är att använda CLT med tjockt yttre träskikt, vilket gör att det tar längre tid tills limskiktet utsätts för höga temperaturer. Med ett yttre skikt som är mer än 4 mm tjockt, kan brandmotstånd på upp till 6 minuter uppnås. Risk för delaminering finns även vid nedfall av gipsskivor, då bakomliggande konstruktion kan utsättas för brandpåkänning på ett tidigt stadium. Gipsskivor med kända och helst långa nedfallstider bör därför användas. Charring depth (mm) Time (min) PRF MF PU2 EPI PU1-A PU1-B Figur 7: Förkolningsdjup för CLT med olika limtyper vid ugnsbrandprovning med naturligt brandförlopp i modellskala. Limtypen PU1användes vid provningen av lägenhetsmoduler. [1] Figur 8: Brandprov av ett trevåningshus med CLT i Estland. [1] 2 Bygg & teknik 6/18

5 Brandteknisk dimensionering genom beräkning enligt naturliga brandförlopp kan f.n. framförallt bli aktuellt vid analytisk dimensionering av riktigt höga träbyggnader. Mer att läsa [1] Östman B: Europeisk brandklassning av CLT och LVL. Bygg & teknik 6/17. [2] EN , 24 (under revidering, ny version väntas 222) [3] Brandsäkra trähus version 3. SP Rapport 212:18, 212. [4] Fire Safety in Timber Buildings. Technical guideline for Europe. SP Report 21:19, 21. [] KL-trähandbok. Fakta och projektering av KL-träkonstruktioner. Svenskt trä 217. [6] TräGuiden, [7] Gerard R, Barber D and Wolski A. Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings. Fire Protection Research Foundation Quincy, MA, U.S.A, [8] Brandon D, Östman B, FPRF Project Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings Phase 2, Task 1 Literature review: The contribution of CLT to compartment fires, Fire-Safety-Challenges-of-Tall-Wood-Buildings-Phase-2-Task-1 [9] Su J, Lafrance P, Hoehler M, Bundy M. FPRF Project Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings Phase 2: Task 2 & 3 Cross Laminated Timber Compartment Fire Tests, Fire Protection Research Foundation, Quincy, MA, Fire-Safety-Challenges-of-Tall-Wood-Buildings-Phase-2-Tasks-2-and-3 [1] Brandon D. FPRF Project Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings Phase 2: Task Experimental study of Delamination of Cross Laminated Timber (CLT) in Fire. Fire-Safety-Challenges-of-Tall-Wood-Buildings-Ph-2-Task- [11] Zelinka S, Hasburgh L, Bourne K, Tuchoski D, Ouellette J. Compartment Fire Testing of a two-story mass timber building. USDA United States Department of Agriculture, Forest Products Laboratory General Technical Report FPL-GTR-247, 218. [12] ANSI/APA PRG Standard for Performance-Rated Cross-Laminated Timber, American National Standard. [13] Janssens M. Development of a fire performance assessment methodology for qualifying cross-laminated timer adhesives. Southwest Research Institute, Project No , 217. [14] Su J et al. Fire Testing of Rooms with Exposel Wood Surfaces in Encapsulated Mass Timbre Construction Report. A National Research Council Canada, 218. [1] EASS, Estonian Academy of Security Sciences Brandprov av ett trevåningshus med CLT, Estland, 217, vimeo.com/249779/ ab6bd3163 [16] Wiesner, Klippel, Dagenais, Dunn, Östman, Janssens, Kagiya, Requirements for engineered wood products and their influence on the structural fire performance. WCTE World Conference on Timber Engineering, Söul, Korea, 218. Bygg & teknik 6/18 3