Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

Technische Zusammenfassung: Computergestützte Analyse von Brettschichtholz (CLT) unter erhöhten Temperaturen

Problemstellung
Brettschichtholz (Cross-Laminated Timber, CLT) erlebt aufgrund seiner Nachhaltigkeit, Dimensionsstabilität und der Vorteile der Vorfertigung ein exponentielles Wachstum im Bauwesen. Das mangelnde umfassende Verständnis seines thermomechanischen Verhaltens unter Brandbedingungen behindert jedoch seine breite Anwendung. Während Holz natürlich eine schützende Verkohlungsschicht bildet, die den inneren Kern isoliert, ist die Leistung von CLT aufgrund seiner orthogonal geschichteten Struktur, der Klebeeigenschaften und der Verwendung von metallischen Verbindern (Schrauben, Nägel), die als Wärmebrücken wirken können, komplex. Bei hohen Temperaturen verlieren metallische Verbindungen ihren Widerstand, was das gesamte strukturelle System gefährden kann. Aktuelle Bemessungsnormen, wie der Eurocode 5, bieten zwar Berechnungsmethoden für die Verkohlung, erfordern jedoch eine weitere Validierung hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen variierenden Schichtstärken, Wärmetransfer und der Integrität der Verbindungen.

Methodik
Diese Studie verwendete computergestützte Simulationen mit der Software Ansys, um das thermomechanische Verhalten von CLT-Geschossdecken unter Brandbelastung zu analysieren. Die Forschung nutzte die Finite-Elemente-Methode (FEM) mit den folgenden Parametern:

• Proben: Drei Panel-Konfigurationen (P1, P2, P3) mit jeweils 3, 5 und 7 Schichten. Die Gesamtdicken betrugen 10 cm, 16 cm bzw. 22 cm. Die Paneele wurden unter Verwendung von Pinus spp. (Festigkeitsklasse C24) mit Polyurethan-basierten Klebstoffen modelliert.
• Geometrie und Belastung: Die Paneele maßen 40x60 cm. Eine gleichmäßig verteilte Last (unter Berücksichtigung des Eigengewichts und der Unfalllasten) wurde aufgebracht, wobei diese je nach Panelstärke leicht variierte (6,19 bis 6,86 kN/m²).
• Verbinder: Es wurden HBS ø 10TX80 Schrauben verwendet, die in Abständen von 10 cm gesetzt wurden, wobei ein stoffschlüssiger Kontakt zwischen dem Stahl und dem Holz angenommen wurde, um die mechanische Interaktion und den Wärmetransfer zu simulieren.
• Brandbelastung: Die Simulationen folgten der Temperatur-Zeit-Kurve der Norm ISO 834-1. Die Paneele wurden Temperaturen von 200 °C bis 1200 °C über eine Dauer von 60 Minuten (3600 Sekunden) ausgesetzt.
• Analysephasen: Es wurde eine zweistufige sequentielle Analyse durchgeführt: erstens eine transiente thermische Analyse zur Bestimmung der Temperaturverteilung; zweitens eine mechanische Analyse unter Einbeziehung des resultierenden Temperaturfeldes, um Verformungen und Spannungen zu bewerten.
• Überwachung: Neun Knotenpunkte wurden über die Dicke des Paneels definiert (extern, intern und zentral), um Temperaturgradienten und den Wärmedurchgang zu verfolle.

Wesentliche Ergebnisse

• Thermische Penetration und Verkohlung: Mit zunehmender Temperatur wurde ein Wärmetransfer in das Innere des Querschnitts beobachtet. Das 3-Schicht-Panel (P1) zeigte eine signifikante Wärmepenetration, wobei die internen Temperaturen nach 45 Minuten den Verkohlungsschwellenwert (ca. 300 °C) erreichten. Im Gegensatz dazu zeigten die 5-Schicht- (P2) und 7-Schicht-Paneele (P3) eine begrenzte thermische Entwicklung; die verkohlten Außenschichten isolierten den inneren Kern effektiv und hielten die internen Temperaturen deutlich niedriger (z. B. blieben die internen Punkte von P3 selbst bei einer externen Exposition von 1200 °C unter 70 °C).
• Temperatur der Verbinder: Die metallischen Schrauben wirkten als Wärmebrücken, aber die Anzahl der umgebenden Schichten beeinflusste deren Temperatur erheblich. In P1 erreichten die Schraubentemperaturen ein Maximum von 162,3 °C. In P2 und P3 betrugen die maximalen Schraubentemperaturen 126,3 °C bzw. 175,9 °C (wobei der höchste Wert bei P3 an der dem Feuer am nächsten gelegenen Spitze auftrat, obwohl der Text angibt, dass P1 generell eine höhere interne Interferenz aufwies). Entscheidend ist, dass die Schraubentemperaturen in allen Fällen unter dem Schwellenwert von 200 °C blieben, der oft als Grenze für die Aufrechterhaltung der Eigenschaften der Verbinder angeführt wird, wenngleich die Studie anmerkt, dass indirekte thermische Effekte die mechanische Kapazität dennoch beeinflussen können.
• Verformungen: Unter brandbedingter Belastung zeigten alle Paneele ein lineares Verschiebungswachstum über die Zeit. P1 (3 Schichten) wies die höchste Durchbiegung auf, die 6,3 % höher war als bei P2 und 8,2 % höher als bei P3. Die maximale vertikale Verschiebung für P1 betrug 6,15x10⁻¹ mm, während P3 die geringste Bewegung zeigte (5,33x10⁻¹ mm).
• Schraubenbewegung: Die horizontalen und vertikalen Verschiebungen der Schrauben waren aufgrund der festen Lagerungsbedingungen minimal. Die maximalen horizontalen Variationen lagen in der Größenordnung von 10⁻² mm. Vertikale Verschiebungen zeigten einen „Herauszugseffekt“ (Pull-out) für äußere Schrauben und eine Innenbewegung für innere Schrauben aufgrund von Biegespannungen, wobei P1 wiederum die größten Verformungen aufwies.

Bedeutung und Schlussfolgerungen
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass eine Erhöhung der Dicke und der Anzahl der Schichten in CLT-Paneelen die thermomechanische Leistung unter Brandbedingungen signifikant verbessert. Dickere Konfigurationen (5 und 7 Schichten) bieten eine überlegene Isolierung, verzögern den Wärmetransfer zum Kern und schützen die metallischen Verbindungen davor, kritische Temperaturen zu erreichen, die die strukturelle Integrität gefährden könnten.

Die Forschung validiert, dass CLT-Paneele zwar eine Querschnittsreduktion durch Verkohlung erfahren, die mehrschichtige Struktur die strukturelle Stabilität jedoch besser aufrechterhält als dünnere Konfigurationen. Die Ergebnisse legen nahe, dass dickere CLT-Elemente die Degradation der Steifigkeit und Festigkeit des Holzes während eines Brandes reduzieren und den Beginn des Versagens in den Verbindungszonen verzögern. Die Autoren halten jedoch fest, dass die thermische Reaktion stark von der Intensität und Dauer der Brandexposition abhängt. Die Studie unterstreicht die Nützlichkeit computergestützter Simulationen zur Vorhersage dieser Verhaltensweisen und liefert Daten, die mit experimentellen Beobachtungen bezüglich der isolierenden Eigenschaften verkohlter Schichten und der schützenden Rolle erhöhter Paneeldicke übereinstimmen.