Experimentální a výpočtové zkoumání GLT nosníků vystavených požáru

Abstract

Znalost chování dřeva za požáru a jeho vliv na materiálové vlastnosti je nezbytným předpokladem pro řádný návrh stavebních konstrukcí. Tato práce poskytuje komplexní studii lepených lamelových nosníků (LLD) vyrobených ze smrku ztepilého a současně se zabývá jejich mechanickými vlastnostmi po vystavení teplotám nad 600°C. U všech nosníků bylo změřeno množství zuhelnatělého dřeva a pro polovinu z nich vývoj teploty v čase v rámci průřezu. Zuhelnatění je obvykle popsáno mírou zuhelnatění β, která byla určena čtyřmi přístupy na základě provedených experimentů. Dále byly provedeny mechanické zkoušky před a po požárním experimentu. Tyto testy zahrnují indentaci pomocí Pilodynu, kde vpichy provedené po požární zkoušce byly mírně hlubší, což poukazuje na redukci Youngova modulu v podélném směru. Výsledky tahových zkoušek malého měřítka nasvědčují tomu, že variabilita dřeva a přítomnost růstových diskontinuit mají větší vliv na výsledný modul pružnosti než zvýšená teplota. Polovina ohořelých nosníků byla zkoušena v tříbodovém ohybu, kde výsledná maximální síla vykazovala sestupný trend se zvyšující se dobou trvání požárního experimentu. Zkouška v tříbodovém ohybu byla dále simulována v programu Ansys®, kde část vstupních dat zahrnující pružné a plasticitní materiálové parametry byla získána z tlakových zkoušek tepelně nezatíženého dřeva. Z 18 modelů kombinujících různé geometrie a materiály za předpokladu elastického chování byl vybrán ten, který poskytoval nejbližší odhad průhybu. Daný model byl dále rozšířen o plastické chování s využitím modelu s bilineárním izotropním zpevněním a Hillovy podmínky plasticity. Nicméně prezentované modely vyžadují několik vylepšení, jako je kalibrace materiálového modelu, aby lépe vyhovoval všem testovaným vzorkům a zároveň snížil veliký rozdíl mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami. Náhlé poklesy síly vyskytující se na křivkách závislosti posunu na zatížení naměřených během zkoušky v tříbodovém ohybu byly pravděpodobně způsobeny lokálními defekty. Lépe postihnout takovéto chování by vyžadovalo rozšířit stávající přístup o materiálový model založený na mechanice poškození a stejně tak zohlednit přítomnost diskontinuit při tvorbě geometrického modelu.

Knowledge of the wood behaviour during fire and its impact on material properties is a necessary prerequisite for the correct design of a building structure. This work provides a comprehensive study of glued laminated timber (GLT) beams made of Norway spruce and their mechanical properties when exposed to temperatures exceeding 600°C. The temperature evolution in time within the beam cross section was measured for one beam out of two in each test, whereas the amount of charred wood was determined for both. The charring is usually described by the charring rate β, which was evaluated by four approaches based on conducted experiments. The fire tests were supported by additional mechanical tests performed before and after the fire tests. These tests comprise indentation via Pilodyn, where the indentation depth slightly increased after the fire test suggesting the reduction of Young's modulus in the longitudinal direction. The results obtained from the small-scale tensile tests indicate that the wood variability and the effect of growth discontinuities are probably more significant than the effect of elevated temperature. Half of the burnt beams were tested in three-point bending showing the decreasing trend of the ultimate load with increasing fire test duration. The three-point bending test was further simulated employing Ansys® software, where part of the material data for simulation were obtained from the compression tests, offering elastic as well as plastic material parameters of wood not exposed to elevated temperatures. Altogether 18 individual models combining different geometries and materials were tested to choose one providing the best approximation while limiting the response to elasticity. The selected model was further extended by plasticity employing the bilinear isotropic hardening model and the Hill yield criterion. However, the presented models require several improvements such as the material model calibration to suit better all tested samples and to reduce rather large differences between the measured and computed values. The observed sudden drops of the force appearing on load vs. displacement curves of three-point bending tests were probably triggered by local defects. To better predict such a behaviour may call for an extension of the present approach to advance the material model in the light of damage mechanics as well as to extend the geometrical model by introducing discontinuities