Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung Wilhelm F. Luggin, Dietmar Bobacz Kurzfassung Im Rahmen der Forschungsprojekte Brandschutz im Holzbau und Brandverhalten von Holzkonstruktionen für den Hoch- und Industriebau wurde das mechanische Verhalten von Holz unter Temperaturbeanspruchung untersucht. Neben einer umfangreichen Literaturrecherche wurden einerseits Druck- und Zugversuche und andererseits Schubversuche durchgeführt, um Voraussetzungen für ein exaktes, realitätsnahes und somit wirtschaftliches Berechnungsmodell zu schaffen. 1 Einleitung Der Baustoff Holz hat in den letzten Jahren aufgrund seiner konstruktiven Vorteile, wie hohe Festigkeit, geringes Gewicht, hoher Vorfertigungsgrad, gute Wärmedämmeigenschaft, aber auch durch die zunehmende Bedeutung einer ökologischen Bewertung wesentlich an Bedeutung gewonnen. Der gesteigerte Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen im Hoch- und Industriebau bedingt auch erhöhte Anforderungen an den Brandschutz, um einen einwandfreien Personen- und Sachwertschutz zu gewährleisten. Holz ist gleichzeitig Bau- und Brennstoff. Diese scheinbare Kluft gilt es zu überbrücken. Holz kann zwar brennen, aber entscheidend ist die Tragfähigkeit eines Baustoffes im Brandfall. Und gerade hier weisen Holz und Holzwerkstoffe sehr gute Eigenschaften auf, wie in zahlreichen Versuchen und rechnerischen Simulationen bestätigt wurde. Temperaturänderungen wirken sich deutlich auf die Eigenschaften des Holzes aus. In der Regel werden die mechanischen Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen bei einer Temperatur von 20 C ermittelt und diese Werte in den Normen und Regelwerken angegeben. Mit zunehmenden Temperaturen fallen die Werte für die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften deutlich ab. Der Holzquerschnitt, der einer Brandbelastung ausgesetzt ist, wird einerseits durch die schützende Kohleschicht und andererseits durch die guten Wärmedämmeigenschaften des Holzes geschützt, sodass ca. 15 bis 20 mm nach der Abbrandgrenze eine Temperatur von ca. 100 C erreicht wird. Die Abnahme der Tragfähigkeit von Holzbauteilen resultiert einerseits aus der Querschnittsverringerung infolge Abbrand und andererseits aus einer Änderung von Festigkeitseigenschaften des Restquerschnittes. Die Wirtschaftlichkeit der Ergebnisse einer Feuerwiderstandsberechnung hängt vom Berechnungsaufwand ab, mit dem sie durchgeführt wird. Der in den österreichischen Normen definierte Nachweis mit dem verbleibenden Restquerschnitt (ÖNORM B 3800-4) bzw. die in den europäischen Regelwerken (EN 1995-1-2) definierten Berechnungsmethoden (Verfahren des wirksamen Querschnitts bzw. Verfahren der reduzierten Festigkeit und Steifigkeit) liefern Näherungsergebnisse, die in den meisten Fällen ausreichend sind. Exakte Berechnungen der Resttragfähigkeiten, Berechnungen nach der Theorie 2. Ordnung und FEM-Berechnungen können mit diesen Verfahren jedoch nicht durchgeführt werden. Eine exakte Simulierung des Tragverhaltens von Holzbauteilen unter Brandbelastung erfordert neben der Bestimmung des Abbrandes auch die Berücksichtigung der temperaturbeeinflussten Zone, in der die mechanischen Eigenschaften des Holzes nicht mehr zur Gänze genutzt werden können. Über die Abnahme der mechanischen Eigenschaften unter Temperaturbelastung existieren zahlreiche Untersuchungen. Verschieden- Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung 27
artige Versuchsanordnungen, stark abweichende Ergebnisse und das Fehlen des Festigkeitsverhaltens unter Temperatur von unterschiedlichen Sortierklassen erforderten zusätzliche experimentelle Untersuchungen (Druck- und Zugversuche, Schubversuche), die im Rahmen der vom FFF unterstützten Forschungsprojekte Brandschutz im Holzbau und Brandverhalten von Holzkonstruktionen für den Hoch- und Industriebau durchgeführt wurden. 2 Druck- und Zugversuche 2.1 Versuchsdurchführung Nach umfangreichen Versuchen über das Abbrandverhalten und über den Temperaturgradienten wurden Zug- und Druckversuche durchgeführt, um Voraussetzungen für ein realitätsnahes Berechnungsmodell zu schaffen. Die Versuche wurden an der Universität Innsbruck, Institut für Stahlbau, Holzbau und Mischtechnologie in Zusammenarbeit mit der BOKU-Wien, Institut für konstruktiven Ingenieurbau durchgeführt. Es wurden 220 Versuche an maschinell sortierten Fichtenholzlamellen (MS10, MS13 und MS17) durchgeführt, welche unter konstanter Temperaturbeanspruchung (20, 60, 100, 150, 175 und 200 C) einer einaxialer Druck- bzw. Zugbeanspruchung ausgesetzt wurden. Der Versuchsaufbau erfolgte nach ÖNORM EN 408. Die Versuche wurden nicht an fehlerfreien Kleinproben durchgeführt, sondern die Versuchskörper wiesen praxisnahe Bauteilabmessungen auf, um einerseits den Einfluss von Wuchsfehlern und andererseits den Volumenseffekt zu berücksichtigen. Die Abmessungen betrugen für den Zugversuch: B/H/L = 160/40/1440 mm bzw. für den Druckversuch: B/H/L = 160/40/240 mm [1]. Abbildung 1: Versuchsaufbau Druckversuch [1] Eine konstante Temperatur im Holzquerschnitt konnte erreicht werden, indem die Ober- und Unterseite jeder Holzlamelle mit Hilfe eines Flächenheizkörpers erwärmt wurde. Mittels Temperatursonden im Holz wurde kontinuierlich die Temperatur im Holzquerschnitt gemessen; mit Hilfe von induktiven Wegaufnehmern konnte die hervorgerufene Längenänderung in den einzelnen Lamellen aufgezeichnet werden. 28 Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung
Für alle Versuche, d.h. für alle Temperaturniveaus konnten die exakte Last-Verformungsbeziehung bestimmt werden und die Zug- und Druckfestigkeit bzw. der Zug- und Druckelastizitätsmodul berechnet werden. Abbildung 2: Versuchsaufbau, Zugversuch [1] Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung 29
2.2 Ergebnisse der Druck- und Zugversuche Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften: (1) Die Veränderungen der Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in Folge der Temperaturbeanspruchung sind klar erkennbar; sämtliche geprüfte Materialkennwerte nehmen mit steigender Temperaturbeanspruchung ab. (2) Die relative Abnahme des Zug-Elastizitätsmoduls mit steigender Temperaturbeanspruchung ist für alle Sortierklassen klar erkennbar. Der Elastizitätsmodul der Sortierklasse MS17 nimmt bis 100 C etwas stärker ab als jener der Sortierklassen MS10 und MS13. Ab einer Temperatur von 150 C nimmt der Zug-Elastizitätsmodul nur mehr geringfügig ab. (3) Die Zugfestigkeit ist bis zu einer Temperatur von ca. 60 C konstant. Ab dieser Temperaturstufe kommt es zu einer starken Abnahme der Zugfestigkeit, wobei die Abnahme der relativen Zugfestigkeit bis 100 C für die Lamellen der Sortierklasse MS17 stärker ist als jene der Sortierklasse MS10 und MS13. Zwischen 100 und 175 C ist der stärkste Festigkeitsverlust erkennbar; ab 175 C ist nur noch eine geringfügige Abnahme erkennbar. (4) Die Sortierklasse MS13 zeigt eine stetige Abnahme des Druck-Elastizitätsmoduls mit steigender Temperaturbeanspruchung. Bei 100 C beträgt die Abnahme des Druck- Elastizitätsmoduls ca. 30 %. Aufgrund großer Streuungen und des geringen Probenumfanges wurde auf eine Auswertung für die weiteren Sortierklassen verzichtet. (5) Die Abnahme der relativen Druckfestigkeit für die Sortierklassen MS10 und MS17 stimmt weitgehend überein. Im Vergleich dazu kann bei der Sortierklasse MS13 eine höhere Abnahme der relativen Druckfestigkeit festgestellt werden. Diagramm 1 und 2: Ergebnisse der Zugversuche unter Temperaturbelastung [1] 30 Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung
Diagramm 3 und 4: Ergebnisse der Druckversuche unter Temperaturbelastung [1] Versagensmechanismen und Bruchverhalten: (1) Die Holzlamellen weisen bei Zugbeanspruchung in allen Temperaturbereichen ein weitgehendes linear-elastisches Werkstoffverhalten mit sprödem Bruchverhalten auf. Bei sehr hohen Temperaturen (175 bis 200 C) kann bereits ein geringe plastische Verformung festgestellt werden. (2) Im Gegensatz dazu weisen die Druckproben ein duktiles Materialverhalten auf, das bei höheren Temperaturen noch ausgeprägter zu beobachten ist. (3) Bei Normaltemperatur (20 C) waren sowohl bei Zug- als auch bei Druckbelastung vor allem Äste bruchauslösend. Mit steigenden Temperaturen konnte festgestellt werden, dass sich dieser Einfluss nicht mehr so stark auswirkt. Bei den Zugversuchen kam es in allen Temperaturbereichen zu Längsrissen. Bei Temperaturbeanspruchung von 175 200 C kam es vermehrt auch zu reinen Holzbrüchen. (4) Neben den Ästen konnte bei den Druckversuchen als Bruchursache ein Ausknicken der Proben in Kombination mit Längsrissen bzw. ein Versagen aufgrund von Druckstauchungen vor allem in Bereichen großer Schrägfasrigkeit festgestellt werden. Druckversagen Stauchung Zugversagen - Holzbruch Abbildung 3: Bruchbilder der Zug- und Druckversuche [1] Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung 31
In der nachfolgenden Tabelle sind die Versuchsergebnisse (Mittelwerte für die Sortierklassen MS10, MS13 und MS17) und die Werte aus der Literatur (Forschungsergebnisse und Normen) zusammengefasst. Festigkeits- und Steifigkeitswerte in [%], bezogen auf die Werte bei 20 C Temperatur [ C] 20 50-70 100 150 200 250-300 Quelle Zugfestigkeit 100-92 68 - - Glos u. Henrici - - 105-36 21 White et al. - 97 89 77 62 43 Wohlmuth (Fi) - 95 87 79 71 65 Wohlmuth (Kie) - - 65 - - 0 pren 1995-1-2-97 75 42 23 - FFF-Projekt Zug-E-Modul 100-88 84 - - Glos u. Henrici - - 98 75 60 52 White et al. - 96 92 89 88 90 Wohlmuth (Fi) - - 50 - - 0 pren 1995-1-2-87 65 48 47 - FFF-Projekt Druckfestigkeit 100-66 59 - - Glos u. Henrici - 89 74 60 48 38 Wohlmuth (Fi) - 79 59 43 32 24 Wohlmuth (Kie) - 63 - - - - Young - - 25 - - 0 pren 1995-1-2-73 61 47 23 - FFF-Projekt Druck-E-Modul 100-78 61 - - Glos u. Henrici - 97 92 87 82 77 Wohlmuth (Fi) - 87 75 65 56 49 Wohlmuth (Kie) - 64 - - - - Clancy - - 35 - - 0 pren 1995-1-2-86 69 56 38 - FFF-Projekt Tabelle 1: Abnahme der mechanischen Eigenschaften unter Temperaturbelastung [2] 3 Schubversuche 3.1 Versuchsdurchführung Die Versuchsreihe Thermische Schubversuche wurde im Rahmen des Forschungsprojektes Brandverhalten von Holzkonstruktionen für den Hoch- und Industriebau durchgeführt, um die Abnahme der Scherfestigkeit und des Schubmoduls von Holz unter Temperaturbelastung zu untersuchen. Die Versuche wurden am Institut für konstruktiven Ingenieurbau an der Universität für Bodenkultur im Zeitraum Jänner bis Juni 2004 durchgeführt. Die nationalen und europäischen Normen beinhalten keine Prüfbestimmungen in denen das Temperatur-Festigkeitsverhalten berücksichtigt wird. Daher wurde die vorliegende Versuchsreihe in Anlehnung an die ÖNORM EN 408 (Ausgabe 2001-01-01) und ÖNORM EN 1193 (Ausgabe 1997-10-02) durchgeführt [3]. Fichtenholzproben der Sortierqualität MS10 wurden unter konstanten Temperaturen einem Schubversuch nach ÖNORM EN 1193 ausgesetzt. Es wurden insgesamt 115 Versuche bei 20 C, 60 C, 100 C und 150 C durchgeführt. Um eine konstante Temperatur im Holzquerschnitt zu erreichen, wurden die zwei Seitenflächen und die Stirnseiten mit Hilfe von Flächenheizkörpern erwärmt. Die Temperatur der Proben wurde mittels Sensoren gemessen; die Längenänderungen während des Versuches wurden mittels induktiven 32 Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung
Wegaufnehmern ermittelt. Im Zuge der Versuchsauswertung konnte für jeden Versuchskörper die Last-Verformungs-Beziehung bestimmt und die Scherfestigkeit und der Schubmodul berechnet werden [3]. Induktiver Wegaufnehmer Bolzen Prüfkörper Adapter Stahlplatte Abbildung 4: Versuchskonfiguration [3] 3.2 Ergebnisse der Schubversuche In den nachfolgenden Tabellen sind die Ergebnisse für die Scherfestigkeit und für den Schubmodul zusammengefasst. Im Diagramm der Abnahme der Scherfestigkeit sind die Ergebnisse in Bezug zu internationalen Normen dargestellt. Die strichlierten Linien wurden nicht durch Versuche gewonnen, sondern durch lineare Interpolation mit der Annahme, dass bei 300 C keine Festigkeit mehr vorhanden ist. rel. Schubmodul bezogen auf 20 C Temp. [ C] Anzahl n [ ] Mittelwert m x Standard. sx COV [ ] Max. Min. 5%-Frakt. m x [%] 5%-Frakt. [%] 20 26 616,08 123,49 0,20 877,43 393,96 396,64 100 100 60 30 485,92 76,42 0,16 801,19 349,01 350,65 78,9 88,4 100 34 440,04 104,79 0,24 660,39 219,67 255,50 71,4 64,4 150 25 224,35 51,19 0,23 376,09 119,28 133,23 36,4 33,6 Tabelle 2: Ergebnisse der Schubversuche unter Temperaturbelastung/ Schubmodul [3] rel. Scherfestigkeit bezogen auf 20 C Temp. [ C] Anzahl n [ ] Mittelwert m x Standard. sx COV [ ] Max. Min. 5%-Frakt. m x [%] 5%-Frakt. [%] 20 19 7,15 0,50 0,07 8,50 5,51 6,25 100 100 60 19 6,39 0,47 0,07 7,10 5,16 5,54 89,3 88,7 100 19 5,98 0,44 0,07 6,78 4,47 5,18 83,7 82,9 150 20 4,34 0,56 0,13 5,25 3,07 3,33 60,7 53,2 Tabelle 3: Ergebnisse der Schubversuche unter Temperaturbelastung/ Scherfestigkeit [3] Betrachtet man den relativen und auch absoluten Verlauf der Festigkeit, ergibt sich eine geringe Abnahme der Scherfestigkeit bis zu einer Temperaturbeanspruchung von 100 C. Im höheren Temperaturbereich ist jedoch eine stärkere Abnahme festzustellen, die Scherfestigkeit beträgt bei 150 C nur mehr 53% bzw.61% des Ausgangswertes bei 20 C. Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung 33
Stellt man einen Vergleich der 5 %-Fraktilwerte der Versuche und der im EC 5 vorgeschlagenen Werte an, so kann festgestellt werden, dass die, im Versuch gewonnenen, relativen Werte über denen des EC 5 liegen. Bei 100 C beträgt die Differenz zwischen den Werten im EC 1995-1-2 und den Versuchsergebnissen 43 % [3]. relative Scherfestigkeit [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 Mittelwerte 89,3 Fraktilwerte 88,7 83,7 EC 5 82,9 70 60,7 53,2 40 40,5 35,5 30 20 17,7 20,2 10 0 0 50 100 150 200 250 300 Temperatur [ C] Diagramm 5: Relative Scherfestigkeit [3] Die Holzproben wiesen weitgehend sprödes Materialverhalten auf; der Bruch erfolgte schlagartig ohne Vorankündigung. Durch die Belastung des Holzes in Faserlängsrichtung traten immer Längsscherrisse auf, die bei der Auswertung in ein Abscheren tangential, radial und tangential-radial unterteilt wurden. 34 Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung
Bruchbilder: S20-10 Tangenitialriss S60-23 Radialriss S60-15 Tangentialradialriss Abbildung 5: Bruchbilder der Schubversuche [3] Die Prüfkörper waren fehlerfrei, nur in zwei Fällen konnte festgestellt werden, dass Äste im Bruchbereich auftraten. Bei diesen Versuchen konnte sehr deutlich eine Verdübelung durch den Ast festgestellt werden. Die Proben sind erst nach Überwindung dieses Widerstandes zum Bruch gekommen (deutlich größerer Verschiebungsweg, höhere Bruchlast). 80 Kraft [kn] 60 40 20 0 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 Weg [mm] Abbildung 6: Einfluss des Astes auf das Bruchbild und das Kraft-Weg-Diagramm [3] 4 Zusammenfassung Für die Entwicklung von exakten Berechnungsmethoden der Tragfähigkeit brandbelasteter Holzbauteile wurden neben einer umfangreichen Literaturrecherche zahlreiche Versuche über die mechanischen Eigenschaften durchgeführt. Die Ergebnisse der Druck- und Zugversuche bzw. der Schubversuche bestätigen einerseits die Werte in den europäischen Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung 35
Regelwerken, andererseits zeigen sie deutliche Sicherheitsreserven auf. Aufgrund des z.t. geringen Probenumfanges können diese Sicherheitsreserven jedoch noch nicht baupraktisch genutzt werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch deutlich, dass ein brandsicheres Bauen mit Holz möglich ist. In weiterer Folge ist es nun eine der Hauptaufgaben der Brandschutzforschung im Holzbau, diese zahlreichen Ergebnisse anwenderorientiert darzustellen und den Tragwerksplanern, Architekten, Behörden, und Ausführenden zur Verfügung zu stellen und somit die Brandsicherheit von Holzkonstruktionen weiter zu erhöhen [4]. 5 Literaturverzeichnis [1] Reden G. et al.: Versuchsbericht Mittelbrandversuchsreihe MBV 1, Brandversuche unter Zug- und Druckbelastung, FFF-Forschungsprojekt Brandschutz im Holzbau, Band 8, Wien, Februar 2002, Institut für konstruktiven Ingenieurbau, BOKU Wien [2] Fornather J., Hochreiner G., Luggin W.F.: Brennbarkeit und Brandverhalten von Holz, Holzwerkstoffen und Holzkonstruktionen - Zusammenfassung und Erkenntnisse für die Bemessungspraxis, ProHolz Arbeitsheft 2/03. [3] Bobacz D. et al.: Projektbericht Nr. 01-2004 Thermische Schubversuche, FFF- Forschungsprojekt Brandschutz im Hoch- und Industriebau, Wien, März 2005, Institut für konstruktiven Ingenieurbau, BOKU Wien [4] Luggin W.: Brandsicheres Bauen mit Holz, Architektur und Bauforum, Nr. 14/ Aug. 2004 36 Mechanische Eigenschaften von Holz unter Brandbelastung