Gradbeni vestnik • letnik 70 • junij 2021114 izr. prof. dr. Simon Schnabl, univ. dipl. inž. grad. simon.schnabl@fkkt.uni-lj.si Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Večna pot 113, 1000 Ljubljana dr. Bojan Čas, univ. dipl. inž. grad. bojan.cas@ fgg.uni-lj.si Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova 2, 1000 Ljubljana Znanstveni članek UDK 614.841.3:624.011.1(078.9) Povzetek l V članku je predstavljen matematični model in njegova semi-analitična rešitev za račun kritičnih uklonskih sil lesenih stebrov, ki, izpostavljeni požaru, oglenijo. Matematični model upošteva temperaturno odvisne termomehanske lastnosti lesa in oglja. Pri določitvi temperaturnega in vlažnostnega polja po prečnem prerezu lesenega stebra je upoštevan povezan prehod toplote in vlage. Z razvitim matematičnim mode- lom je bila izvedena parametrična analiza, s katero smo analizirali vpliv vitkosti, nivoja obtežbe in začetne vlažnosti na kritične uklonske sile lesenega stebra. Izkaže se, da se z naraščanjem vitkosti kritična uklonska sila lesenega stebra zmanjšuje, medtem ko se z višanjem začetne vlažnosti lesa ta povečuje. Kritični čas izpostavljenosti lesenega stebra požarni obtežbi se zmanjšuje z višanjem nivoja njegove začetne obtežbe. Ključne besede: uklon, leseni steber, požar Summary l A mathematical model for the structural behavior of timber columns un- der fire was proposed. A semi-analytical study was carried out to evaluate the load carrying capacity of timber columns under fire exposure. Special attention was paid to the critical buckling loads. For this purpose, a parametric study was conducted to investigate the effect of slenderness ratio, load level and water content on the critical buckling loads of timber columns. The results of this preliminary study showed that with increasing exposure time, slenderness ratio and load ratio significantly decrease the critical buckling load. On the other hand, the critical buckling load increases with the increase of the initial water content of timber. Moreover, the critical time decreases with the increase of load ratio. Key words: buckling, timber column, fire VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV INFLUENCE OF FIRE ON THE STABILITY OF TIMBER COLUMNS 1•UVOD Les je zelo pogosto uporabljen konstrukcijski material. Uporablja se pri gradnji hiš, športnih objektov, mostov, zadnje čase pa se vse več uporablja tudi pri gradnji visokih stanovanj- skih in poslovnih objektov. Zaradi majhnega ogljičnega odtisa lesenih elementov je priča- kovati, da bo njegova uporaba v prihodnosti še naraščala. Ker pa je les gorljiv material, je s strani nekaterih investitorjev in projektantov njegova uporaba še vedno zapostavljena. V resnici pa se izkaže ravno nasprotno. Lesene konstrukcije so v pogledu požarne varnosti v primerjavi z nekaterimi drugimi vrstami gradbenih konstrukcij razmeroma varne. To je v največji meri pogojeno z relativno sla- bo toplotno prevodnostjo lesa in nastankom oglja ob gorenju lesa. Poznavanje obnašanja lesa in oglja oziroma lesene konstrukcije pri visokih temperaturah je zato bistveno za zagotavljanje ustrezne požarne odpornosti lesenih konstrukcij. izr. prof. dr. Simon Schnabl, dr. Bojan Čas• VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV Gradbeni vestnik • letnik 70 • junij 2021 115 2.1 Teoretične osnove Obravnavamo raven leseni steber začetne dolžine L, ki ga prikazujemo na sliki 1. Steber obravnavamo v ravnini X, Z kartezijskega koordinatnega sistema s prostorskimi koordi- natami X, Y, Z in enotnimi baznimi vektorji EX, Ey in Ez = EX x Ey. Nedeformirana referenčna os stebra sovpada z njegovo težiščno osjo. Lokalni koordinatni sistem, ki ga opišemo s koordinatami x, y, z v nedeformirani legi sovpada s prostorskim koordinatnim siste- mom X, Y, Z, ob deformiranju pa sledi obliki lesenega stebra. Steber je obremenjen centrič- no s konservativno točkovno silo P. Poleg tega je steber izpostavljen prostorsko enakomerno porazdeljenemu požaru, ki so mu izpostavlje- ne vse obodne površine stebra. Analiza obnašanja lesenih stebrov med poža- rom je v splošnem sestavljena iz treh nepove- zanih korakov. Prvi korak je določitev požar- nega scenarija oziroma projektnega požara. Drugi korak je določitev temperaturno vlažnost- nega stanja v obravnavanem stebru, tretji korak pa predstavlja določitev mehanskega stanja požaru izpostavljenega lesenega steb- ra. V prispevku upoštevamo projektni požar skladno s standardom ISO 834 [ISO 834-1, 1999], ki ga določa standardna požarna kri- vulja. Za izračun temperaturno vlažnostnega polja v stebru uporabimo matematični model, ki sta ga predstavila Schnabl in Turk [Schnabl, 2019]. Iz navedenega znanstvenega dela povzamemo rezultate temperaturno vlažnost- ne analize, ki jih uporabimo pri izračunu mehanskega odziva lesenega stebra med po- žarom. Slednje je sistematično predstavljeno v nadaljevanju pričujočega prispevka. 2.2 Mehanski model Osnovne algebrajsko diferencialne enačbe, ki opisujejo mehanski odziv lesenih stebrov pri hkratnem delovanju zunanje mehanske obtežbe in požara, so: (i) kinematične, (ii) ravnotežne in (iii) konstitutivne enačbe ter (iv) pripadajoči statični in kinematični robni pogoji. Omenjene enačbe temeljijo na lineariziranih enačbah Reissnerjevega modela ravninskega nosilca [Reissner, 1972] in ravni primarni legi lesenega stebra v celotnem obdobju izpostavljenosti požaru. Uklonske sile lesenih stebrov pri požaru izračunamo iterativno z linearno stabilnostno analizo. V ta namen celotni časovni interval, v katerem analiziramo mehanski odziv stebra [0, t], razdelimo na časovne podintervale [ti−1, ti]. Napetostno de- formacijsko stanje je tako v vsakem časovnem koraku ti določeno iterativno z reševanjem naslednjih enačb: (1) (2) (3) (4) (5) (6)Slika 1• Geometrija in oznake ravnega lesenega stebra, ki je obremenjen s tlačno osno silo P ter izpostavljen standardnemu požaru ISO 834 [ISO 834-1, 1999]. Rezultate eksperimentalnih analiz požar- ne odpornosti lesenih konstrukcij so med številnimi drugimi avtorji predstavili Ali s sodelavci [Ali, 2005] in Lie [Lie, 1977]. Uporaba naprednih računskih postopkov je predmet obsežnega seznama znanstve- nih raziskav ([Benichou, 2000], [Cachim, 2009], [Fredlund, 1993], [Janssens, 2004], [König, 2005] in [Takeda 2009]). Ker so eksperimenti običajno izredno zahtevni in dragi, največkrat uporabljamo matematične modele za opis obnašanja konstrukcije med požarom. Matematično modeliranje pogosto poenostavimo tako, da ga v primeru, da poznamo časovno razporeditev temperature in vlage po požarnem prostoru, razdelimo v dve ločeni fazi. V prvi fazi izračunamo časovno razporeditev temperature in vlage po obravnavani kon- strukciji, ki jo potem v drugi fazi uporabimo za določitev mehanskega odziva obravnavane konstrukcije na sočasen vpliv zunanje statične mehanske obtežbe in požara. Pri določitvi temperaturnega in vlažnostnega polja je treba upoštevati, da se toplota in vlaga med poža- rom prenašata na različne načine (konvekcija, kondukcija, radiacija). Poleg tega moramo upoštevati izhlapevanje, izparevanje in kon- denziranje vode ter oglenenje lesa. Uspešnost analize odziva lesenih konstrukcij pri požaru je v veliki meri odvisna od ustrezne izbire temperaturno odvisnih materialnih, reoloških in termičnih lastnosti lesa. V članku se omejimo na lesene stebre. Pri teh vrstah elementov konstrukcij, ki so izpostav- ljeni požaru, ni nujno, da je za porušitev merodajna nosilnost prečnih prerezov lesenih elementov. Zaradi slabšanja materialnih last- nostih lesa med požarom, oglenenja lesa in s tem manjšanja prečnega prereza lesenega elementa lahko nastopi porušitev lesenih ste- brov kot posledica izgube njihove stabilnosti. Naveden je tudi poglavitni razlog, da v nada- ljevanju obravnavamo uklon lesenih stebrov pri požaru. VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV•izr. prof. dr. Simon Schnabl, dr. Bojan Čas 2•POŽARNA ANALIZA LESENIH STEBROV Gradbeni vestnik • letnik 70 • junij 2021116 (7) (8) (9) (10) kjer smo z ui, wi in φi označili pomike in zasuke, medtem ko smo z εi0 in кi označili deformacijske količine referenčne osi stebra. Vse količine v enačbah (1)–(10), razen Ci11, Ci12, Ci21 in Ci22 so funkcije samo vzdolžne koordinate x. Poleg tega smo z Miy označili upogibni moment v prečnem prerezu, rav- notežni sili v prečnem prerezu stebra pa z Rix in Riz. Ni in Mi predstavljata konstitutivno osno silo ter upogibni moment. Komponente konstitutivne matrike prečnega prereza stebra smo označili s Ci11, Ci12, Ci21 in Ci22. Te v primeru simetričnega prečnega prereza določimo na naslednji način: (11) (12) (13) Pri tem εi označuje vzdolžno deformacijo poljubnega vlakna prečnega prereza stebra ter Ti temperaturo v i-tem časovnem koraku v izbrani točki prečnega prereza. σic predstavlja normalno napetost v izbrani točki prečnega prereza v i-tem časovnem koraku in je funkcija mehanske deformacije εiM. Sistem linearnih al- gebrajsko diferencialnih enačb s konstantnimi koeficienti (1)–(10) sestavlja deset enačb za prav toliko neznanih funkcij, tj. εi0, кi, ui, wi, φi, Rix, Riz, Miy, Ni in Mi. Enačbe (1)–(10) rešimo s pomočjo pripadajočih statičnih in kinematič- nih robnih pogojev pri x=0 in x=L. x=0: (14) (15) (16) x=L: (17) (18) (19) kjer so rj∈ (0,1) parametri, s katerimi opi- šemo različne kombinacije robnih pogojev Eulerjevih elastičnih stebrov, oznaki (0) in (L) določata količino pri x=0 oziroma x=L. 2.3 Mehanske lastnosti lesa pri visokih temperaturah Mehanske lastnosti lesa, npr. njegova tlačna trdnost in elastični modul, so zelo odvisne od vsebnosti vlage ter temperature lesa. Te se z višanjem vsebnosti vlage ter temperature v splošnem zmanjšujejo in so zelo odvisne od procesa izparevanja in kondenzacije vode, ki se pojavi pri približno 100 °C, od procesa pirolize lesa, ki se začne nad 200 °C, ter pro- cesa oglenenja lesa, ki nastopi pri temperaturi okoli 300 °C. Običajno predpostavimo, da les izgubi vso svojo trdnost in togost na nivoju prečnega prereza, ko se spremeni v oglje. V pričujočih računskih analizah privzamemo, da se navedeno pojavi pri temperaturi 300 °C. Po- znavanje zmanjševanja mehanskih lastnosti lesa je torej s stališča požarne analize lesenih stebrov ključnega pomena. V mehanski analizi upoštevamo aditiv- nost vzdolžnih deformacij lesenega stebra. Vzdolžno deformacijo poljubnega vlakna prečnega prereza εi=εi0+zкi določimo z izrazom (20) Δεi predstavlja prirastek celotne geometrijske deformacije pri času ti in je sestavljen iz na- slednjih dveh komponent: (21) kjer ΔεiM označuje prirastek mehanske de- formacije in ΔεiT prirastek temperaturne de- formacije. 2.4 Točna rešitev Osnovni sistem algebrajsko diferencialnih enačb (1)–(10) je linearen, zato lahko določi- mo njegovo analitično oziroma točno rešitev. Poiščemo jo s postopno eliminacijo osnovnih neznank in delnim odvajanjem. Sistem enačb (1)–(10) tako nadomestimo s sistemom dveh nepovezanih linearnih homogenih diferencial- nih enačb višjega reda za ui in wi: (22) (23) kjer ki označuje uklonski koeficient, definiran kot (24) Splošna rešitev enačb (22)–(23) je (25) (26) kjer so Ci1, Ci2, Ci3, Ci4, Ci5 in Ci6 neznane integra- cijske konstante, ki jih določimo z vstavitvijo splošne rešitve (25)–(26) v izraze (14)–(19), ki predstavljajo robne pogoje lesenega stebra. Pri tem moramo rešiti homogeni sistem šes- tih linearnih algebrajskih enačb za neznane integracijske konstante. Pogoj ničelne deter- minante matrike koeficientov Ki, ki določa netrivialno rešitev sistema, skupaj z enačbo za določitev konstitutivne osne sile sestavlja nelinearni sistem dveh enačb za dve neznani količini Pkr in ɛ0,kr: (27) (28) Nelinearni sistem enačb (27)–(28) rešimo numerično z uporabo Newton-Raphsonove iteracijske metode za reševanje nelinearnih sistemov enačb. Pri tem smo s Pkr označili Oznaka stebra P-P C-F C-P C-C Neničelne vrednosti parametrov rj 0 5 4 5 0 6 3 6 1 1 0 0 L L L L r r r r r r = = = = = = 0 6 3 5 0 5 4 6 1 1 0 0 L L L L r r r r r r = = = = = = 0 6 4 5 0 5 3 6 1 1 0 0 L L L L r r r r r r = = = = = = 0 6 4 6 0 5 3 5 1 1 0 0 L L L L r r r r r r = = = = = = Uklonska oblika C = vpeto; F = prosto; P = vrtljivo podprto Preglednica 1• Robni pogoji in pripadajoče uklonske oblike lesenih stebrov. izr. prof. dr. Simon Schnabl, dr. Bojan Čas• VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV Gradbeni vestnik • letnik 70 • junij 2021 117 najmanjšo lastno vrednost, ki predstavlja tudi najmanjšo uklonsko silo stebra v časovnem koraku ti. Eksplicitne izraze pogoja netrivialne rešitve sistema enačb (27)–(28) in izraze za uklonske sile lesenih stebrov pri času ti prikazujemo v preglednici 2. Te prikazujemo skladno s preglednico 1, kjer predstavimo različne robne pogoje oziroma različne načine podpiranja lesenih stebrov. Oznaka stebra det 0i =K kr iP P-P 2 4 22 2 0 ( ) ( ) sin( ) 0 (1 )ε = + i i i i C k L k L 2 22 2 0(1 ) π ε+ i i C L C-F 2 5 22 4 0 ( ) ( ) cos( ) 0 (1 )ε = + i i i i C k k L 2 22 2 0(1 ) (2 ) π ε+ i i C L C-P 2 22 2 0 ( ) ( cos( ) sin( )) 0 (1 )ε − = + i i i i i i C k k L k L k L 2 22 2 0(1 ) (0.69915565 ) π ε+ i i C L C-C 2 0 ( sin( ) 2cos( ) 2) 0 (1 )ε + − = + i i i i i k k L k L k L 2 22 2 0(1 ) (0.5 ) π ε+ i i C L Preglednica 2• Eksplicitni izrazi za pogoji ničelne vrednosti determinante matrike koeficientov Ki in izrazi za kritično osno silo Pikr za različne načine podpiranja lesenega stebra. 3•NUMERIČNI PRIMER Z naslednjim računskim primerom prikažemo uporabnost predlaganega matematičnega modela za račun kritičnih uklonskih sil lesenih stebrov pri požaru. V ta namen obravnavamo leseni steber z začetno temperaturo T0 = 20 °C in začetno vlažnostjo W0 = 13 °M. Steber je obremenjen s konservativno tlačno osno silo P in izpostavljen standardnemu požaru ISO 834 [ISO 834-1, 1999] po vseh obodnih površinah. Pri tem predpostavimo, da je temperaturno stanje nosilca in okolice vzdolž osi stebra konstantno. Nadalje, poleg mehanskih deformacij stebra upoštevamo tudi temperaturne deformacije. Geometrijski in materialni podatki ter podatki o obtežbi lesenega stebra so podani na sliki 2. Pri računu uklonskih sil lesenega stebra pri požaru upoštevamo temperaturno polje, ki ga prikazujemo na sliki 3 in ga povzemamo po znanstvenem prispevku [Schnabl, 2019]. Celotno požarno analizo trajanja t = 60 min smo izvedli v časovnih korakih dolžine Δt = 3 s. Pri tem smo upoštevali zmanjšanje me- hanskih lastnosti lesa, elastičnega modula in tlačne trdnosti, pri visokih temperaturah, kot je to predvideno v prispevku avtorja König [König, 2005]. Kritične uklonske sile lesenega stebra, vitkosti 62L A J λ = = , prikazujemo v preglednici 3 za različne načine podpiranja in pri različnih časih. Ker lahko pri tlačni obremenitvi vitkih stebrov pride do prekoračitve tlačne nosilnosti prečnega prereza stebra, preden pride do Slika 2• Geometrijski in materialni podatki lesenega stebra in oglja ter podatki o obtežbi lesenega stebra. λ=62 Pkr�kN� Oznaka stebra P-P C-F C-P C-C Pult (T=20 °C) 806,9 201,4 1000,0* 1000,0* t = 1 min 771,6 192,6 977,3* 977,3* t = 5 min 577,2 144,1 842,5* 842,5* t = 15 min 307,3 76,73 611,2* 611,2* t = 30 min 134,8 33,69 275,5 398,9* t = 60 min 23,56 5,889 48,11 94,39 Preglednica 3• Mejna tlačna nosilnost (bodisi porušitev prečnega prereza bodisi uklonska nosilnost) lesenega stebra za različne načine podpiranja in različne čase izpostavljenosti standardnemu požaru. VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV•izr. prof. dr. Simon Schnabl, dr. Bojan Čas Gradbeni vestnik • letnik 70 • junij 2021118 izgube njegove stabilnosti oziroma njegove- ga uklona, smo primere, kjer je merodajna tlačna nosilnost prečnega prereza, vrednosti v preglednici 3, označili z nadpisanim in- deksom – zvezdico. Vidimo, da uklonska nosilnost stebra pri požaru pada relativno hitro v odvisnosti od trajanja požara. Tako zna- ša uklonska nosilnost obojestransko vrtljivo podprtega lesenega stebra po 30 minutah požara le še približno 16 % začetne nosilnosti stebra. Kritične uklonske sile lesenega stebra, iz- postavljenega požaru, lahko prikažemo tudi z normirano brezdimenzijsko krivuljo, ki prikazuje kritično uklonsko ali mejno tlačno silo za primere različnih vitkosti. V ta namen je kritična uklonska sila Pkr normirana z mejno osno tlačno nosilnostjo stebra pri sobni temperaturi Pult (T=20 °C). Rezultati za različne čase izpostavljenosti standard- nemu požaru ISO 834 [ISO 834-1, 1999] in različne začetne vlažnosti so prikazani na sliki 4. K sliki 4 podajamo tudi pomembno ugo- tovitev, da je normirana uklonska sila ne- odvisna od načina podpiranja. Poleg tega opazimo, da se z večanjem časa izpostav- ljenosti požaru in manjšanjem začetne vla- žnosti lesa normirana kritična uklonska sila zmanjšuje. V nadaljevanju za različne vitkosti λ lesenega stebra obravnavamo tudi vpliv nivoja obtežbe Pkr/Pult (T=20 °C) na kritični čas tkr, pri ka- terem nastopi porušitev lesenega stebra, in na kritično temperaturo plinov TA,kr v okolici obravnavanega lesenega stebra. Rezultate prikazujemo na sliki 5. S slike 5 je razvidno, da se z višanjem nivoja obtežbe požarna odpornost lesenega stebra hitro zmanjšuje. Podobno se z višanjem ni- voja obtežbe zmanjšuje kritični čas oziroma kritična temperatura plinov v okolici lesenega stebra, kar je pričakovano. Slika 3• Porazdelitev temperature in območja oglenenja po prečnem prerezu lesenega stebra pri t = 5, 15, 30 in 60 minut. Slika 4• Normirana uklonska in tlačna nosilnost prečnega prereza lese- nega stebra pri t = 0, 5, 15, 30 in 60 minut za različne vitkosti lesenega stebra in različne začetne vlažnosti lesa, to je W0 = 0, 12 in 20°M. Slika 5• Kritični čas tkr in kritična temperatura Ta,kr v odvisnosti od nivoja obtežbe za različne vitkosti lesenega stebra. izr. prof. dr. Simon Schnabl, dr. Bojan Čas• VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV Gradbeni vestnik • letnik 70 • junij 2021 119 4•SKLEP V članku smo predstavili nov semi-analitični matematični model za izračun kritične uk- lonske sile lesenega stebra, ki je izpostavljen požaru. Na osnovi razvitega matematičnega modela smo opravili parametrično študijo, s katero smo analizirali vpliv različnih parame- trov na kritično uklonsko silo lesenega stebra. Prišli smo do naslednjih zaključkov: 1. Kritična uklonska sila lesenega stebra se zmanjšuje z večanjem časa njegove izpo- stavljenosti požaru. 2. Leseni stebri se porušijo bodisi zaradi tlač- ne porušitve prečnega prereza bodisi zara- di uklona lesenega stebra. 3. Začetna vlažnost lesa pomembno vpliva na kritično uklonsko silo lesenega stebra. Z višanjem začetne vlažnosti lesa se po- večuje tudi kritična uklonska sila lesenega stebra med požarom. 4. Nivo obtežbe lesenega stebra pomembno vpliva na kritični čas izpostavljenosti poža- ru pred porušitvijo oziroma izgubo stabil- nosti lesenega stebra. Z višanjem nivoja obtežbe se kritični čas do porušitve lesene- ga stebra zmanjšuje, prav tako se zmanj- šuje kritična temperatura okolnih plinov, ki jim je izpostavljen leseni steber v pogojih požara. 5•ZAHVALA Predstavljeni rezultati so pridobljeni v sklopu dela programske skupine Mehanika konstrukcij (P2-0260), ki jo financira Javna agencija za razisko- valno dejavnost Republike Slovenije. Za finančno pomoč se ji iskreno zahvaljujemo. 6•LITERATURA Ali F., Kavanagh S., Fire resistance of timber columns, Journal of the Institute of Wood Science, 17(2), 85–93, 2005/06. Benichou N., Sultan M. A., Fire resistance performance of lightweight wood-framed assemblies, Fire Technology, 36(3), 184–219, 2000. Cachim P. B., Assessment of Eurocode 5 for fire design of timber columns, Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Construction Materials, 162, 151–156, 2009. Fredlund B., Modelling of heat and mass transfer in wood structures during fire, Fire Safety Journal, 20, 39–69, 1993. ISO 834-1, Fire-resistance Tests – Elements of Building Constructions – Part 1: General Requirements, 1999. Janssens M. L., Modelling of thermal degradation of structural wood members exposed to fire, Fire and Materials, 28, 199–207, 2004. König J., Structural fire design according to Eurocode 5 – design rules and their background, Fire and Materials, 29, 147–163, 2005. Lie T. T., A method for assessing the fire resistance of laminated timber beams and columns, Canadian Journal of Civil Engineering, 4(2), 161–169, 1977. Reissner E., On one-dimensional finite-strain beam theory: The plane problem, Journal of Applied Mechanics and Physics , 23, 795–804, 1972. Schnabl S., Turk G., Temperaturno-vlažnostna požarna analiza lesenih prečnih prerezov z upoštevanjem oglenenja – Temperature-moisture fire analysis of timber cross-sections exposed to fire, Gradbeni vestnik , 68, 78–85, marec 2019. Takeda H., An integrated model to predict fire resistance of wood floor assemblies, Journal of Fire Protection Engineering, 19, 133–150, 2009. VPLIV POŽARA NA STABILNOST LESENIH STEBROV•izr. prof. dr. Simon Schnabl, dr. Bojan Čas