Reliability of the thermal treated timber and wood-based materials in high temperatures

• Autorzy: Pieniak D. , Ogrodnik P. , Oszust M. , Niewczas A.

Warianty tytułu

PL

Niezawodność konstrukcyjna drewna modyfikowanego termicznie i materiałów drewnopochodnych w podwyższonych temperaturach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Existing wood and wood-based materials have had several drawbacks limiting their use, which in consequence resulted in replacing them by other materials. The most significant problems were limitations regarding maximum dimensions of the components cross - section and capabilities of manufacturing of the large-scale components. Durability and flammability of surfaces were the limiting factors as well. Nowadays, thermally treated wood and wood composites are more and more commonly used in the engineering constructions, such as: glued laminated timber (GL), laminated veneer lumber (LVL) and thermally treated timber (TT). The timber undergoes a process of thermal degradation. In high temperatures timber structure is subject to simultaneous influence in the form of forces and thermal impacts. These factors influence stress distribution in the wood structure and limit its load capacity, reflecting structure decohesion. The aim of the presented studies was to determine impact of increased temperatures on strength of the wood materials and wood-based composites. Additionally, based on the results of the strength studies, analysis of the probabilisty of survival in high temperatures was performed. Samples used in the static bending strength studies were made of the laminatem veneer lumber - LVL, glued laminated pine timber - GL, and thermally treated - TT and non-treated spruce timber - NTT. The samples were in a cuboidal shape with dimensions of 20x20x300 mm. The evaluation of bending strength was performed by means of the universal strength device - FPZ 100/1 (VEB Thuringer Industriewerk Rauenstein, Germany). Fire temperatures conditions were simulated by blowing hot air (GHG 650 LCE). The studies were conducted in the following temperature ranges: 20, 50, 100, 150, 200 and 230 ±C. Based on the obtained results a reliability analysis was performed. For the analysis a two-parameter Weibull distribution was applied. In case of materials with laminated structure - LVL and GL, an increase in standard deviation of the results of bending strength in the successive temperature ranges has been observed. Higher values of shape parameter c of Weibull distribution have been demonstrated for TT spruce timber (the highest c = 5.58) and NTT (the highest c = 3.31).

PL

Dotychczasowe materiały drewniane i drewnopochodne miały wiele wad ograniczających ich zastosowanie, co prowadziło do zastępowania ich innymi. Największy problem stanowiły ograniczenia, co do maksymalnych wymiarów przekroju elementów oraz możliwości wykonywania elementów o znacznych rozpiętościach, również trwałość powierzchni a także łatwopalność ograniczały zastosowanie. Obecnie w konstrukcjach inżynierskich coraz częściej wykorzystuje się drewno modyfikowane termicznie oraz materiały drewnopochodne m.in. drewno klejone warstwowo (GL), drewno fornirowane warstwowe (LVL) oraz drewno modyfikowana termicznie (TT). Drewno jest materiałem ulegającym termicznej degradacji. W warunkach oddziaływania wysokich temperatur konstrukcja drewniana jest poddana jednoczesnym wymuszeniom w formie sił oraz oddziaływaniom termicznym. Oddziaływanie tych dwóch czynników wpływa na rozkład naprężeń w strukturze drewna oraz ogranicza nośność konstrukcji, powodując de kohezję struktury. Celem prezentowanych badań było określenie wpływu podwyższonych temperatur na wytrzymałość materiałów drewnianych i drewnopochodnych. Ponadto, na podstawie wyników badań wytrzymałości przeprowadzono analizę prawdopodobieństwa przetrwania w podwyższonych temperaturach. Próbki do badań wytrzymałości na zginanie statyczne zostały wykonane z drewna fornirowego warstwowego - LVL, drewna sosny pospolitej klejonego warstwowo - GL oraz drewna świerkowego poddanego - TT i niepoddanego modyfikacji termicznej - NTT, w formie prostopadłościanów o wymiarach 20x20x300mm. Oceny wytrzymałości na zginanie dokonano na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej FPZ 100/1 (VEB Thuringer Industriewerk Rauenstein, Germany). Temperatury środowiska pożaru symulowano za pomocą nawiewu gorącego powietrza (GHG 650 LCE). Oceny dokonywano w zakresach temperatur: 20, 50, 100, 150, 200, 230±C. Uzyskane wyniki posłużyły ocenie niezawodności. W analizie wykorzystano dwuparametrowy rozkład Weibulla. W przypadku materiałów o strukturze laminowanej - LVL i GL zaobserwowano wzrost odchylenia standardowego wytrzymałości na zginanie w kolejnych zakresach temperatur. Wyższe wartości parametru kształtu c Rozkładu Weibulla zostały wykazane dla świerku TT (najwyższe c = 5.58) i NTT(najwyższe c = 3.31).

Słowa kluczowe

EN

fire temperatures; thermally treated timber (TT); glued laminated timber (GL); laminated veneer lumber (LVL); reliability; bending strength

PL

temperatury pożarowe; drewno klejone warstwowo; drewno fornirowane warstwowe LVL; drewno modyfikowane termicznie; niezawodność; wytrzymałość na zginanie

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 15, no. 1
• Strony: 18--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz.

Twórcy

autor

Pieniak D.

autor

Ogrodnik P.

autor

Oszust M.

autor

Niewczas A.

• Thr Main School of Fire Services Department of Fire Safety Engineering ul. Slowackiego 52-54, 01-629 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• 1. Baldwin RF. Plywood and veneer-based products, manufacturing practices (Wood technology books ser). Miller Freeman. San Francisco 1995.
• 2. Bąk R, Burczyński T. Wytrzymałość materiałów z elementami ujęcia komputerowego. Wyd. WNT. Warszawa 2001.
• 3. Beall F.C, Eickner H.W. Thermal degradation of wood components. Forest Products Research Paper 1970: 130.
• 4. Bhuiyan RT, Hirai N, Sobue N. Changes of crystallinity in wood cellulose by heat treatment under dried and moist conditions. Wood Sci. Technol 2000; 46: 431–6.
• 5. Biliszczuk J, Hawryszków P, Maury A, Sułkowski M, Węgrzyniak M. Kładka dla pieszych w Sromowcach Niżnych. Rekordowa konstrukcja mostowa z drewna klejonego. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne 2007; 11: 36-39.
• 6. Bliszczuk J, Bień J, Maliszewski P. Mosty z drewna klejonego. WKŁ Warszawa 1988.
• 7. Burdurlu E, Kilic M, Ilce A, Uzunkavak O. The effects of ply organization and loading direction on bending strength and modulus of elasticity in laminated veneer lumber (LVL) obtained from beech (Fagus orientalis L.) and lombardy poplar (Populus nigra L.). Construction and Building Materials 2007; 21: 1720–1725.
• 8. Caggins C.R. Timber preservation in building and construction. Construction and Building Materials 1989: 114–117.
• 9. Chui Y, Schneider M, Hang H. Effects of resin impregnation and process parametre on some proporties of poplar LVL. Forest products Journal 1994; 44: 74–78.
• 10. Davies D.G.S. The statistical approach to engineering design in ceramics. Proceedings of the British Ceramic Society 1973; 22: 429–452.
• 11. D Otero Chans, Estevez Cimadevila J, Martin Gutierrez E. Glued joints in hardwood timber. International Journal of Adhesion & Adhesives 2008; 28: 457–463.
• 12. Fengel D, Wegener G. Wood chemistry, ultrastructure, reactions. Berlin, Walter de Gruyter 1989.
• 13. Frangi A, Fontana M, Hugi E, Jobstl R. Experimental analysis of cross-laminated timber panels in fire. Fire Safety Journal 2009; 44: 1078–1087.
• 14. Gunduz G, Aydemir D, Karakas G. The effects of thermal treatment on the mechanical properties of wild Pear (Pyrus elaeagnifolia Pall.) wood and changes in physical properties. Materials and Design 2009; 30: 4391–4395.
• 15. Johansson C.J. Glued-in bolts. Timber engineering. STEP 1: lecture C14. Centrum Hout. Almere 1995.
• 16. Kamala B.S, Kumar P, Rao R.V, Sharma S.N. Performance test of laminated veneer lumber (LVL) from rubber wood for different physical and mechanical properties. Holz Roh Werkst 1999: 114–116.
• 17. Kamdem D.P, Pizzi A, Jermannaud A. Durability of heat-treated wood. Holz als Roh- und Werkstoff 2002; 60: 1–6.
• 18. Kartal S.N, Hwang W.J, Imamura Y. Combined effect of boron compounds and heat treatments on wood properties: Chemical and strength properties of wood. Journal of Materials Processing Technology 2008; 198: 234–240.
• 19. Korkut S, Akgul M, Dundar T. The effcts of heat treatment on some technological properties of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood. Bioresource Technology 2008; 99: 1861–1868.
• 20. Manríquez M.J, Moraes P.D. Influence of the temperature on the compression strength parallel to grain of paricá. Construction and Building Materials 2010; 24: 99–104.
• 21. Mazela B, Zakrzewski R, Grześkowiak W, Cofta G, Bartkowiak M. Resistance of thermally modified wood to basidiomycetes. Wood Technology 2004; 7: 253–262
• 22. Migdalski J. Inżynieria niezawodności. Poradnik. Wyd. ATR ZETOM. Warszawa 1992.
• 23. Moraes PD et al. Influence of temperature on the embedding strength. Holz Roh-Werkst 2005;63:297–302.
• 24. Murzewski J. Niezawodność konstrukcji inżynierskich. Wyd. Arkady. Warszawa 1989.
• 25. Neuhaus H.: Budownictwo drewniane, podręcznik inżyniera. Polskie Wydawnictwo Techniczne. Rzeszów 2006.
• 26. Njankouo J, Dotreppe J, Franssen J. Fire resistance of timbers from tropical countries and comparison of experimental charring rates with various models. Construction and Building Materials 2005; 19: 376–386.
• 27. Obataya E, Tanaka F, Norimoto M, Tomita B. Hygroscopicity of heat-treated wood 1. Effects of after-treatments on the hygroscopicity of heat-treated wood. Journal of Wood Science 2000; 46: 77–87.
• 28. Ozcifci A. Effects of scarf joints on bending strength and modulus of elasticity to laminated veneer lumber (LVL). Building and Environment 2007; 42: 1510–1514.
• 29. Ozcifci A, Okcu O. Impacts of some chemicals on combustion properties of impregnated laminated veneer lumber (LVL). Journal of materials processing technology 2008; 199: 1–9.
• 30. Przepiórka J, Żurowski P. Konstrukcyjne drewno klejone. Inżynier Budownictwa 2008; 10: 60–64.
• 31. Ritter JE, Bandyopadhyay N, Jakus N. Statistical reproducibility of the dynamic and static fatigue experiments. Ceramic Bulletin 1981; 60:798–806.
• 32. Schaffer EL. Effect of pyrolytic temperatures on the longitudinal strength of dry douglas fir. J Test Eval 1973;1(4):319–29
• 33. Sei-Chang O. Applying failure criteria to the strength evaluation of 3-ply laminated veneer lumber according to grain direction by uniaxial tension test. Construction and Building Materials, 2010.
• 34. Sivonen H et al. Magnetic resonance studies of thermally modified wood. Holzforschung 2002;56(6):648–53.
• 35. Stanley P, Fessler H, Sivil AD. An engineer’s approach to the prediction of failure probability in brittle components. Proceedings of the British Ceramic Society 1973; 22: 453–487
• 36. Strickler M.D, Pellerin RF. Tension proof loading laminated beams. Forest Prod J 1971; 21: 10–15.
• 37. Tichy RJ, Bodig GJ. Flexural properties of glued la pine dimension lumber. Forest Prod J 1978; 29.
• 38. Tomusiak A. Drewno klejone warstwowo. Materiały Budowlane 2001; 8: 92–93.
• 39. Uysal B. Bonding strength and dimentional stability of laminated veneer lumbers manufactured by using different adhesives after the steam test. International Journal of Adhesion & Adhesives 2005; 25: 395–403.
• 40. White RH, Dietenberger MA. Wood Products: Thermal Degradation and Fire. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Elsevier Science Ltd 2001: 9712–9716
• 41. Wolf R, Moddy R.C. Bending strength of vertically glued laminated beams. Forest Prod J. 1979; 30: 32–40.
• 42. Yang T, Wang S, Tsai M, Lin C. The charring depth and charring rate of glued laminated timber after a standard fire exposure test. Building and Environment 2009; 44: 231–236.
• 43. Young SA, Clancy P. Compression mechanical properties of wood at temperatures simulating simulating fire conditions. Fire Mater 2001;25:83–93.
• 44. Younsi R, Kocaefe D, Poncsak S, Kocaefe Y. Computational and experimental analysis of high temperature thermal treatment of wood based on ThermoWood technology. International Communications in Heat and Mass Transfer 2010; 37: 21–28.
• 45. PN-72/C-04907: Środki ochrony drewna. Oznaczanie wpływu na wytrzymałość drewna.