Ipsos armat. Protectie la foc a constructiilor din lemn (III)

Rezistenta la foc a elementelor structurale din lemn este influentata de:

• viteza carbonizarii;
• capacitatea portanta a portiunii necarbonizate;
• aportul elementelor de protectie.

Placile din ipsos armat asigura o protectie eficienta a elementelor structurale din lemn la incendiu (fig. 7).

Cladirile cu structura din lemn sau cele care au mansarde cu sarpanta din lemn necesita protectie sporita la foc.

Lemnul expus la foc formeaza un strat de carbune la nivelul suprafetei expuse. Grosimea stratului de carbune creste continuu, cu o rata constanta.

Stratul de carbune nu are, practic, rezistenta mecanica, deci capacitatea portanta a elementului structural din lemn expus la foc descreste pana cand atinge o valoare critica, nemaiputand prelua incarcari.

Temperatura ridicata din timpul incendiului va afecta rezistenta si rigiditatea lemnului necarbonizat.

Determinarea timpului necesar pentru atingerea acestei valori critice reprezinta rezistenta la foc a elementului structural din lemn.

Rezistenta la foc a elementelor din lemn, sau timpul in care componenta necarbonizata poate prelua incarcarea, este influentata de viteza carbonizarii, variatia rezistentei si rigiditatii in functie de temperatura.

Viteza carbonizarii lemnului

Prin degradare termica lemnul se transforma in carbune si gaze, i se reduce densitatea, deci rezistenta mecanica.

Analiza termogravimetrica a probelor din lemn, cu o viteza ce simuleaza arderea din timpul incendiului, a relevat o variatie importanta a densitatii cu temperatura. Focul determina transformarea lemnului in carbune cu o variatie liniara.

In conditii standard de expunere la foc, cresterea initiala a carbonizarii lemnului este ridicata, avand, ulterior, o viteza de modificare aproximativ constanta, intre zonele de lemn necarbonizat si carbune aparand o demarcatie distincta. La nivelul acestei suprafete se atinge o temperatura de aproximativ 300°C.

Procentul de carbonizare se poate determina teoretic prin folosirea unor ecuatii empirice si a modelelor teoretice bazate pe principii chimice si fizice. Studiile experimentale au generat expresiile matematice ale vitezei de carbonizare.

La o expunere standard la foc a elementelor din lemn, viteza de carbonizare in directia perpendiculara pe fibre este de 3,6 cm/ora. Aceasta valoare poate diferi in functie de esenta lemnului, de densitate si de compozitia chimica.

Compozitia chimica a lemnului influenteaza cinetica arderii si, procentual, greutatea carbonului rezidual.

Viteza de carbonizare este influentata de continutul de umiditate si de densitatea lemnului, variind invers proportional cu acestea (fig. 9).

Lemnul umed si dens determina o micsorare a vitezei de carbonizare, la 2,5 cm/ora, iar lemnul uscat si usor mareste aceasta viteza pana la dublu.

La elementele structurale din lemn cu dimensiuni mari, viteza de carbonizare este moderata comparativ cu elementele avand dimensiuni reduse, la care viteza de carbonizare creste accentuat cu temperatura la nivelul suprafetei neexpuse.

Rata de carbonizare, pe directie paralela cu fibrele lemnului, este de doua ori mai mare decat cea pe directie perpendiculara pe fibre.

In cazul elementelor din lemn, incleiate cu adezivi fenolici, viteza de carbonizare este echivalenta cu cea a lemnului cu densitate ridicata.

Efectul tratamentului de intarziere a incendiului asupra vitezei de carbonizare va influenta numai timpul pana la aprinderea elementului din lemn.

Rata de carbonizare proprie unui incendiu real depinde de severitatea focului la care sunt supuse elementele structurale din lemn.

Severitatea incendiului depinde de materialul combustibil si de rezerva de aer disponibila. Acesti factori au condus la determinarea ecuatiilor matematice pentru calcularea grosimii carbonizarii in timp.

Viteza de carbonizare variaza liniar in raport cu fluxul de caldura generat de incendiu.

Incendiul si proprietatile lemnului

Proprietati termice. Proprietatile lemnului, in special cele termice, sunt influentate de:

• densitate;
• continutul de umiditate;
• orientarea fibrelor;
• temperatura;
• compozitie chimica.

Lemnul este un material higroscopic, la care umiditatea variaza in functie de temperatura si de umiditatea relativa a aerului (de exemplu, valoarea de 9% a umiditatii de echilibru a lemnului se obtine la o temperatura de 230°C si la o umiditate relativa a aerului de 50%).

La majoritatea esentelor densitatea lemnului se incadreaza in domeniul 300 – 800 kg/mc. In practica, in locul densitatii se utilizeaza, deseori, greutatea specifica, ce se bazeaza pe greutatea si volumul la un anumit continut de umiditate a lemnului.

Conductivitatea termica a lemnului este influentata de densitate si de continutul de umiditate.

In figura 8.2. se prezinta variatia conductivitatii termice cu temperatura. In prima parte (AB) conductivitatea creste liniar cu temperatura. Cresterea in continuare a temperaturii conduce la o scadere liniara a conductivitatii. Incepand cu temperatura de 200°C, lemnul incepe sa se degradeze in substante volatile inflamabile, iar la 350°C lemnul, transformat in carbune, are o densitate aproximativ uniforma.

Caldura specifica a lemnului variaza liniar cu temperatura. Figura 8.3 prezinta aceasta variatie. In prima parte (AB) caldura specifica creste liniar cu temperatura.

In continuare, (BC) saltul din diagrama reprezinta caldura de vaporizare a apei din continutul de umiditate. Cresterea ulterioara a caldurii specifice, dupa eliminarea apei din umiditate, se realizeaza pana la temperatura de 200°C. In urmatorul interval de crestere a temperaturii, pana la 350°C, (DE), caldura specifica a lemnului descreste, ca pe ultima portiune (EF) sa aiba o valoare constanta a carbunelui de lemn, de 690 J/kg°C.

La lemnul expus la temperaturi mari cinetica arderii este exprimata prin constantele ei si prin extinderea carbunelui. Cinetica pierderii masei, datorate degradarii termice, se prezinta in figura 8.4. Pana la 200°C se pierde 10% din masa, punct de la care descresterea devine mai accentuata, 25% la 280°C – pentru ca sa ajunga la 75% la 350°C, dupa care variatia este aproape constanta. Caldura ce se degaja in reactia arderii lemnului variaza intre 370 Kj/kg endotermic la 1.700 KJ/kg exotermic.

Proprietati mecanice. In continuare se prezinta influentele temperaturii asupra proprietatilor mecanice ale lemnului.

Modulul de elasticitate a lemnului (la umiditate mai mica de 12%) va descreste incet pana la temperatura de 200°C, dupa care descresterea este mai rapida. In cazul acestor experimentari se constata o anumita dispersie a rezultatelor.

Rezistenta la intindere a lemnului (umiditate <12%), in lungul fibrelor descreste lent cu temperatura, pana la 200°C, iar dupa aceasta limita descresterea se accentueaza.

In figura 9.A. este reprezentata variatia rezistentei la intindere a lemnului incalzit, in functie de temperatura. Rezistenta la intindere a lemnului incalzit se reduce cu 24% la nivelul temperaturii de 350°C. Dupa racire si reconditionare, la un continut al umiditatii de 12%, o parte importanta din aceasta rezistenta este recastigata.

Rezistenta la compresiune descreste mai rapid cu temperatura decat rezistenta la intindere.

Figura 9.A. prezinta si variatia rezistentei la compresiune paralela cu fibrele. Aceasta descreste liniar cu temperatura, ajungand la o valoare de 20% din cea initiala, la temperatura de 300°C. Dupa racire si reconditionare (umiditate 12%), rezistenta la compresiune revine la valorile initiale.

Deformatia lemnului

In analiza la incendiu a lemnului, deformarea acestuia este, in general, ignorata. Temperaturile pana la 100°C reduc continutul de umiditate si conduc la contractia lemnului, care depinde de:

• umiditate;
• esenta lemnului;
• orientarea fibrelor.

Datele experimentale confirma variatia deformarii lemnului in functie de orientarea fibrelor. Contractia lemnului variaza intre 12% si 8% pe directia tangentiala, radiala, iar pe directia longitudinala valorile sunt cuprinse intre 0,1% si 0,2%. Acestea pot fi mult mai mari la anumite esente de lemn.

Lemnul complet uscat are un coeficient de dilatare pozitiv. Coeficientii de dilatare termica liniara sunt proportionali cu densitatea lemnului. Coeficientii de dilatare termica perpendiculari pe fibre sunt de la 5 pana la 10 ori mai mari decat cei paraleli cu fibrele.

Curgerea lenta la lemn: atat componenta recuperabila, cat si cea remanenta au prezentat o dependenta de temperatura care influenteaza comportarea termoreologica a lemnului.

Rezistenta la foc a lemnului protejat cu ipsos armat

Rezistenta la foc a elementelor structurale din lemn depinde de:

• comportarea placilor protectoare;
• extinderea carbonizarii;
• capacitatea portanta a portiunii necarbonizate.

Pentru determinarea rezistentei la foc a elementelor din lemn protejate cu placi din ipsos carton, se va folosi metoda de calcul aditionala, a componentelor.

Rezistenta la foc a ansamblului, izolat, depinde de: tipul (placi rezistente la foc, placi antifoc) si de grosimea placilor din ipsos carton.

Suma rezistentelor la foc a placilor de protectie va reprezenta rezistenta minima la foc a elementului de lemn protejat.

Rezistenta la foc a placilor din ipsos carton este aproximativ direct proportionala cu grosimea acestora (placa de 10 mm are rezistenta la foc de 10 minute; 12,5 mm – 15 minute; 18 mm – 20 minute; doua placi de 10 mm – 25 minute).

Rezistenta la foc a scheletului de lemn depinde de pozitia elementului (stalp, grinda), la care se adauga izolarea sau nu cu vata minerala (la ansamblurile de planseu sau acoperis) si finisajul exterior.

Placile din ipsos carton se vor monta la pereti cu dimensiunea lunga paralela cu componentele scheletului.

La elementele orizontale sau inclinate (in cazul elementelor de acoperis) placile vor fi montate cu dimensiunea lunga perpendicular pe elementele scheletului din lemn. In ambele cazuri rosturile vor fi umplute.

Rezistenta la foc a elementelor structurale din lemn (stalp, grinda) expuse pe trei sau patru laturi la foc se determina cu relatia:

in care:

R – rezistenta la foc a grinzii si stalpului din lemn (min);

B – latura mica a grinzii sau stalpului din lemn, inainte de expunerea la foc (dm); H – latura mare a grinzii sau stalpului, inainte de expunerea la foc (dm);

f – factor functie de incarcare, iar pentru stalpi se adauga si lungimea efectiva (fig. 9.B);

L – lungimea libera a stalpului (dm).

C₁ = 4 (pentru grinzi expuse la foc pe 3 si 4 laturi);

C₁ = 3 (pentru stalpi expusi la foc pe 3 si 4 laturi);

C₂ = 2 (pentru grinzi expuse la foc pe 4 laturi);

C₂ = 1 (pentru grinzi expuse la foc pe 3 laturi si stalpi expusi pe 3 si 4 laturi);

C₃ = 2 (pentru stalpi expusi la foc pe 3 laturi);

C₃ = 1 (pentru grinzi expuse la foc pe 3 si 4 laturi si stalpi expusi pe 4 laturi).

In cazul elementelor structurale din lemn (grinda, stalp), in care fata neexpusa la foc este latura mica, se aplica relatia cu coeficientii: C₁ = 4 sau 3, C₂ = 1 si C₃ = 1 sau 2.

Cand una dintre laturile mari ale grinzii sau stalpului este expusa la foc, se foloseste relatia cu coeficientii: C₁ = 4 sau 3, C₂ = 1 sau 2 si C₃ = 1 si se obtin valori constante ale rezistentei la foc pentru grinzi si stalpi expusi la foc pe patru laturi.

In cazul grinzii expuse la foc pe patru laturi si a stalpului pe trei laturi, dimensiunea nominala minima este de 15 cm. C₁ = 4 sau 3, C₂ = 1 sau 2, C₃ = 1 sau 2.

In cazul grinzilor si stalpilor expusi la foc pe trei laturi, latura neexpusa este considerata latura mica.

In figura 10 se prezinta protectia la foc cu placi din ipsos armat a unui planseu cu grinzi din lemn.

Autor:
prof. univ. dr. ing.  [Alexandru CIORNEI]

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 171 – iulie 2020, pag. 52