Förkolning av trä

I det följande indelas förkolning av träelement i:

• Endimensionell förkolning som en fysikalisk egenskap för specifika träslag, eller trä med en specifik densitet eller ur en specifik hållfasthetsklass.
• Tvådimensionell förkolning som inkluderar inverkan av tvärsnittsdimensioner och annan invekan.

Förkolningshastigheterna är tillämpliga oavsett hur den brandexponerade ytan är riktad. Det görs alltså ingen skillnad mellan vertikala och horisontella ytor.

Endimensionell förkolning

Grundvärdet är den endimensionella förkolningshastigheten β₀ vid endimensionellt värmeflöde under standardbrandexponering av en oskyddad semi-infinit träplatta utan sprickor eller spalter. Förutsätt-ningarna liknar de för skivor med begränsad tjocklek, se Figur 1, eller för breda tvärsnitt i trä med stort avstånd från hörnen.

Det endimensionella förkolningsdjupet d_char,0 uttrycks som

\(d_{char,0}=\beta_0t\)

där t är tiden för brandexponering och β₀ är den endimensionella förkolningshastigheten vinkelrätt mot fibrerna, se Tabell 1. Dessa förkolningshastigheter bör dubbleras i fiberriktningen. Den endimensionella förkolningshastigheten för barrträ gäller för europeiska träslag (0,65 mm/min).  Densiteten har liten inverkan inom europeiska hållfasthetsklasser för barrträ (konstruktionsvirke, limträ och LVL) och kan därför bortses från.

Den endimensionella förkolningshastigheten för träpaneler och träbaserade skivor ges för en skivtjocklek på 20 mm och en densitet på 450 kg/m³. För andra tjocklekar och densiteter måste β₀ multipliceras med respektive faktorer k_h och k_ρ, se SS-EN 1995-1-2, avsnitt 3.4.2.   

Tvådimensionell förkolning

Nära hörnen på exempelvis rektangulära tvärsnitt är värmeflödet vanligtvis tvådimensionellt och ger en rundad form på resttvärsnittet. Till en början är radien för hörnrundningen ungefär lika med det endimensionella förkolningsdjupet, se Bild 1 (vänster). Till slut kommer förkolningsdjupet på den smala sidan att öka mer än på den breda sidan på grund av att rundningen hos de två motsatta hörnen över-lagrar varandra, se Bild 1 (höger). För träelement med rektangulära tvärsnitt som är exponerade på tre eller fyra sidor, och med en lastpåverkan som är relevant för brand, har den ökade förkolningen på den smala sidan mycket liten inverkan på motståndet hos träelementen och kan därför bortses ifrån.

Vid vissa specifika fall, t ex träreglar eller träbjälkar som skyddas av isolering på sina breda sidor, måste ökad förkolning på den smala sidan beaktas.

För enkelhetens skull ersätts resttvärsnitten vanligtvis av ett rektangulärt tvärsnitt, vilket innebär att det endimensionella förkolningsdjupet och hörnrundningen ersätts med ett motsvarande ekvivalent förkolningsdjup, som beräknas som

\(d_{char,n}=\beta_nt\)

där β_n är den nominella förkolningshastigheten, se tabell 1.

De ekvivalenta förkolningshastigheterna i tabell 1 beaktar även inverkan från sprickor. Därför får limträ och konstruktionsvirke olika värden.

Den ekvivalenta förkolningshastigheten kan uttryckas som

\(\beta_n=k_n\beta_0\)

1- Ursprungliga tvärsnitt
2- Verklig kvarvarande tvärsnitt
3- Ekvivalent kvarvarande tvärsnitt
4- Effektivt tvärsnitt
Bild 1.  Endimensionell (vänster) och tvådimensionell (höger) förkolning av trä.

Vid tillräckligt stor tvärsnittsbredd får endimensionell förkolning användas, se 3.4.2(3) och (4) i SS-EN 1995-1-2.

 

	β0 mm/min	βn mm/min
a) Barrträ och bok
Limträ med en karakteristisk densitet > 290/kg/m3	0,65	0,7
Massivt trä med karakteristisk densitet > 290/kg/m3	0,65	0,7
b) Lövträ
Massivt trä eller limträ med en karaktäeristisk densitet > 290/kg/m3	0,65	0,7
Massivt trä eller limträ med en karakteristisk densitet > 450/kg/m3	0,50	0,55
c) Fanerträ (LVL)
med karaktäristisk densitet > 480/kg/m3	0,65	0,7
d) Paneler och skivor
Träpanel	0,9a	-
Plywood	1,0a	-
Träbaserade skivor utom plywood	0,9a	-
a Värdena gäller karaktäristisk densitet 450 kg/m3 och skivtjocklek 20mm, se 3.4.2(9) vid andra densiteter och tjocklekar.

Tabell 1. Förkolningshastigheter för trä.

Inverkan av brandskyddande beklädnad

Bildning av kolskikt ger effektivt skydd mot värmepåverkan, särskilt för stora tvärsnitt. Om konstruktionen dessutom är försedd med ytterligare skydd, t ex i form av träbaserade skivor, gipsskivor eller isolering, fördröjs förkolningens början och när beklädnaden fortfarande är på plats efter förkolningens början minskar förkolningshastigheten jämfört med tvärsnitt som ursprungligen är oskyddade. Förenklade förhållanden mellan förkolningsfaser med förkolningens början, förkolningshastigheter och nedfallstider för beklädnader visas i Bild 2, där t_ch är tiden för förkolningens början, t_f är nedfallstiden för beklädnaden och t_a är tiden när förkolningen återgår till ursprunglig hastighet.

Förkolningshastigheten omedelbart efter nedfall av brandskyddet – alltså när beklädnaden har fallit bort – är mycket högre än för trä som ursprungligen är oskyddat (på grund av en kombination av hög temperatur och avsaknad av, eller otillräckligt skydd genom kolskiktet). Därför förloras en del av brand-skyddseffekten en viss tid efter nedfallet. Effektivt skydd från kolskiktet kräver att dess tjocklek uppgår till ca 25 mm. Då minskar förkolningshastigheten till hastigheten för ursprungligen oskyddade ytor.

Vid snabbt nedfall av beklädnaden sker en viss fördröjning av förkolningens början men utan bestående brandskyddseffekt. Beklädnader som är på plats under en längre tid ger det mest effektiva brandskyddet, särskilt beklädnader med låg termisk konduktivitet vid höga temperaturer, såsom gipsskivor typ F som har långa nedfallstider.

Bild 2. Förkolningshastigheter i olika fall.

I mindre trätvärsnitt, såsom golvbjälkar eller väggreglar i konstruktioner med tomma hålrum ökar förkolningshastigheten när beklädnaden har fallit ned. Vanligtvis kommer dock träregeln att kollapsa innan man uppnår tillräckligt tjockt kolskikt (25 mm). Dessa förutsättningar beskrivs i SS-EN 1995-1-2 bilaga D.

För träreglar i konstruktioner med isolerade hålrum sker förkolningen huvudsakligen på den smala, brandexponerade sidan. Eftersom det finns ett betydande värmeflöde genom isoleringen på reglarnas breda sidor efter nedfall av skivbeklädnaden (förutsatt att isoleringen fortfarande är på plats), kommer effekten från den ökade hörnrundningen att dominera och förkolningen återgår inte till ursprunglig - hastighet.