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

तकनीकी सारांश: उच्च तापमान के तहत क्रॉस-लैमिनेटेड टिम्बर (CLT) का कम्प्यूटेशनल विश्लेषण

समस्या विवरण
क्रॉस-लैमिनेटेड टिम्बर (CLT) अपनी स्थिरता, आयामी सुदृढ़ता और प्रीफैब्रिकेशन लाभों के कारण निर्माण क्षेत्र में तेजी से बढ़ रहा है। हालांकि, अग्नि स्थितियों के तहत इसके थर्मोमैकेनिकल व्यवहार के बारे में व्यापक समझ की कमी इसके व्यापक अनुप्रयोग में बाधा डालती है। जबकि लकड़ी स्वाभाविक रूप से आंतरिक कोर को अलग रखने के लिए एक सुरक्षात्मक चार (char) परत बनाती है, CLT का प्रदर्शन इसकी ऑर्थोगोनल स्तरित संरचना, आसंजक गुणों और धातु के कनेक्टर्स (पेंच, कील) के उपयोग के कारण जटिल है, जो थर्मल ब्रिज के रूप में कार्य कर सकते हैं। उच्च तापमान के संपर्क में आने पर, धात्विक कनेक्शन प्रतिरोध खो देते हैं, जिससे पूरे संरचनात्मक तंत्र के समझौता होने की संभावना बढ़ जाती है। वर्तमान डिजाइन मानक, जैसे कि यूरोकोड 5, कार्बनकरण (carbonization) के लिए गणना विधियां प्रदान करते हैं, लेकिन विभिन्न परत की मोटाई, ऊष्मा हस्तांतरण और कनेक्शन अखंडता के बीच परस्पर क्रिया के संबंध में और अधिक सत्यापन की आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में अग्नि जोखिम के तहत CLT फ्लोर-टू-फ्लोर पैनलों के थर्मोमैकेनिकल व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए Ansys सॉफ्टवेयर का उपयोग करके कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन का प्रयोग किया गया। शोध में निम्नलिखित मापदंडों के साथ परिमित तत्व विधि (Finite Element Method - FEM) का उपयोग किया गया:

• नमूने: तीन पैनल कॉन्फ़िगरेशन (P1, P2, P3), क्रमशः 3, 5 और 7 परतों के साथ। कुल मोटाई 10 सेमी, 16 सेमी और 22 सेमी थी। पैनलों को पॉलीयूरेथेन-आधारित एडहेसिव के साथ Pinus spp. (स्ट्रेंथ क्लास C24) का उपयोग करके मॉडल किया गया था।
• ज्यामिति और लोडिंग: पैनलों का आकार 40x60 सेमी था। एक समान रूप से वितरित भार (स्वयं के वजन और आकस्मिक भार को ध्यान में रखते हुए) लगाया गया, जो पैनल की मोटाई के अनुसार थोड़ा भिन्न था (6.19 से 6.86 kN/m²)।
• कनेक्टर्स: HBS ø 10TX80 पेंचों का उपयोग किया गया, जो 10 सेमी के अंतराल पर रखे गए थे, जिसमें स्टील और लकड़ी के बीच बॉन्डेड कॉन्टैक्ट माना गया ताकि यांत्रिक संपर्क और ऊष्मा हस्तांतरण का अनुकरण किया जा सके।
• अग्नि जोखिम: सिमुलेशन ने ISO 834-1 मानक तापमान-समय वक्र का पालन किया। पैनलों को 60 मिनट (3600 सेकंड) की अवधि के लिए 200°C से 1200°C तक के तापमान के संपर्क में रखा गया।
• विश्लेषण चरण: एक दो-चरणीय अनुक्रमिक विश्लेषण किया गया था: पहले, तापमान वितरण निर्धारित करने के लिए एक क्षणिक तापीय विश्लेषण (transient thermal analysis); दूसरा, विस्थापन और तनाव का मूल्यांकन करने के लिए परिणामी तापमान क्षेत्र को शामिल करते हुए एक यांत्रिक विश्लेषण।
• निगरानी: पैनल की मोटाई में नौ नोडल बिंदुओं (बाहरी, आंतरिक और केंद्रीय) को तापमान प्रवणता (temperature gradients) और ऊष्मा प्रवेश को ट्रैक करने के लिए परिभाषित किया गया था।

मुख्य परिणाम

• तापीय प्रवेश और कार्बनकरण: जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, क्रॉस-सेक्शन के आंतरिक भाग में ऊष्मा हस्तांतरण देखा गया। 3-परत वाले पैनल (P1) ने महत्वपूर्ण ऊष्मा प्रवेश प्रदर्शित किया, जिसमें आंतरिक तापमान 45 मिनट के निशान पर कार्बनकरण सीमा (लगभग 300°C) के करीब पहुँच गया। इसके विपरीत, 5-परत (P2) और 7-परत (P3) वाले पैनलों ने सीमित तापीय विकास दिखाया; बाहरी झुलसी हुई परतों ने आंतरिक कोर को प्रभावी ढंग से अलग रखा, जिससे आंतरिक तापमान काफी कम रहा (उदाहरण के लिए, 1200°C के बाहरी एक्सपोजर पर भी P3 के आंतरिक बिंदु 70°C से नीचे रहे)।
• कनेक्टर तापमान: धात्विक पेंचों ने थर्मल ब्रिज के रूप में कार्य किया, लेकिन उनके आसपास की परतों की संख्या ने उनके तापमान को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किया। P1 में, पेंचों का तापमान अधिकतम 162.3°C तक पहुँचा। P2 और P3 में, अधिकतम पेंच तापमान क्रमशः 126.3°C और 175.9°C थे (यह ध्यान देने योग्य है कि P3 का उच्चतम मान आग के सबसे करीब वाले सिरे पर हुआ, हालांकि पाठ इंगित करता है कि P1 में सामान्यतः उच्च आंतरिक हस्तक्षेप था)। महत्वपूर्ण रूप से, सभी मामलों में, पेंच का तापमान 200°C की सीमा से नीचे रहा, जिसे अक्सर कनेक्टर गुणों को बनाए रखने के लिए सीमा के रूप में उद्धृत किया जाता है, हालांकि अध्ययन नोट करता है कि अप्रत्यक्ष तापीय प्रभाव अभी भी यांत्रिक क्षमता को प्रभावित कर सकते हैं।
• विस्थापन (Displacements): अग्नि-प्रेरित लोडिंग के तहत, सभी पैनलों ने समय के साथ रैखिक विस्थापन प्रदर्शित किया। P1 (3 परतें) ने उच्चतम विस्थापन दिखाया, जो P2 की तुलना में 6.3% और P3 की तुलना में 8.2% अधिक था। P1 का अधिकतम ऊर्ध्वाधर विस्थापन 6.15x10⁻¹ mm था, जबकि P3 ने सबसे कम हलचल (5.33x10⁻¹ mm) दिखाई।
• पेंच की गति: निश्चित सपोर्ट स्थितियों के कारण पेंचों का क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर विस्थापन न्यूनतम था। अधिकतम क्षैतिज परिवर्तन 10⁻² mm के क्रम में थे। बेंडिंग स्ट्रेस के कारण बाहरी पेंचों के लिए "पुल-आउट" प्रभाव और आंतरिक पेंचों के लिए अंदर की ओर गति देखी गई, जिसमें P1 ने फिर से सबसे बड़े विस्थापन दिखाए।

महत्व और निष्कर्ष
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि CLT पैनलों में परतों की संख्या और मोटाई बढ़ाने से अग्नि स्थितियों के तहत थर्मोमैकेनिकल प्रदर्शन में काफी सुधार होता है। अधिक मोटी कॉन्फ़िगरेशन (5 और 7 परतें) बेहतर इन्सुलेशन प्रदान करती हैं, जिससे कोर तक ऊष्मा हस्तांतरण में देरी होती है और धात्विक कनेक्शनों को महत्वपूर्ण तापमान तक पहुँचने से रोका जाता है जो संरचनात्मक अखंडता से समझौता कर सकते हैं।

यह शोध पुष्टि करता है कि जबकि CLT पैनल कार्बनकरण के कारण सेक्शन रिडक्शन (खंड कटौती) से गुजरते हैं, बहु-परतीय संरचना पतली कॉन्फ़िगरेशन की तुलना में संरचनात्मक स्थिरता को बेहतर बनाए रखती है। निष्कर्ष बताते हैं कि मोटे CLT तत्व अग्नि जोखिम के दौरान लकड़ी की कठोरता और शक्ति के क्षरण को कम करते हैं और कनेक्शन क्षेत्रों में विफलता की शुरुआत को टालते हैं। हालांकि, लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि तापीय प्रतिक्रिया अग्नि जोखिम की तीव्रता और अवधि पर अत्यधिक निर्भर रहती है। यह अध्ययन इन व्यवहारों की भविष्यवाणी करने में कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन की उपयोगिता को पुख्ता करता है, जो झुलसी हुई परतों के इन्सुलेटिंग गुणों और बढ़ी हुई पैनल मोटाई की सुरक्षात्मक भूमिका के संबंध में प्रयोगात्मक अवलोकनों के अनुरूप डेटा प्रदान करता है।