Cross-Laminated Timber in Fires: A Study of Factors Affecting Ignition, Reignition, Self-Extinction, and Charring

Abstract

Denne masteroppgaven har adressert noen kritiske faktorer ved bruk av massivtre sett fra et brannsikkerhetsperspektiv. En økende etterspørsel etter trematerialer krever mer forskning på bruk av eksponert krysslaminert tre (KLT) i bygninger. Dets lastbærende egenskaper gjør det mulig å bruke det som erstatning for stål og betong i konstruksjonssystemer. Imidlertid er tre brennbart, og eksponert massivtre i bygninger vil føre til høyere brannbelastning, som igjen fører til mer intense branner med lengre varighet. Tre forskjellige metoder brukes i oppgaven for å undersøke hvordan CLT reagerer på ulike brannpåkjenninger. Først ble det gjennomført en litteraturstudie for å danne et grunnlag for testene og analysene. En gjennomgang av eksisterende kunnskap og tidligere forskning har gjort det mulig å finne informasjon om hvordan massivtre reagerer under ulike branneksponeringer og hvilke faktorer som påvirker forbrenningen av tre. Videre ble det høsten 2022 gjennomført en stor-skala romtest med eksponerte KLT-elementer i taket som en del av FRIC-prosjektet av Andreas S. Bøe. Forkulling i noen av disse elementene ble valgt ut og analysert. Til slutt ble den sentrale delen av oppgaven gjort ved å teste små prøver av massivtre i en konkalorimeter og undersøke den kritiske varmefluksen for antennelse og selvslukking på ferske og forkullede prøvestykker Termoelementer ble plassert inne i elementene under testene, noe som gjorde det mulig å måle den kontinuerlige temperaturutviklingen under testene. Disse ble brukt til å beregne hvordan pyrolysen i treet utvikler seg. Konkalorimeter-testene viser at ferskt tre har en lavere kritisk varmefluks enn forkullet tre, noe som stemmer overens med teorien i litteraturgjennomgangen. Imidlertid er forskjellen liten, noe som indikerer at et forkullet lag ikke beskytter det indre laget tilstrekkelig fra å reantenne under brannutvikling med like høye temperaturer som ble sett i branntesten. Det ble også observert at prøver uten ekstern varmestråling førte til slokking innen 5 minutter. Den kritiske varmefluksen for selvslukking ikke funnet. Analyse av forkullingshastigheter er gjort både på de små prøvene og CLT-elementene som ble brukt i branntestene i stor skala, og dette indikerer at tettheten påvirker forkullingshastigheten. Resultatene viser at gjennomsnittlig forkullingshastighet fra konkalorimeteret er litt lavere enn den som er funnet i ISO-standarder, men høyere enn den som er funnet romtesten. Likevel har forkullingshastigheten fra branntesten i rommet blitt påvirket av flere faktorer, og forutsetningene for å beregne og sammenligne forkullingshastigheten kan være feil, ettersom varmeeksponeringen varierer under branntesten i rommet, i motsetning til konkalorimeter-testene med kontinuerlig varmefluks.

This master's thesis has addressed certain critical elements of the utilization of mass timber from the fire safety standpoint. A higher demand for timber materials requires more research on using exposed cross-laminated timber (CLT) in buildings. Its bearing properties make it possible to use it as a substitute for steel and concrete in structural systems. However, timber is combustible, and exposed mass timber in buildings will also lead to higher fire loads, giving more intense and longer-lasting fires. Therefore, it is necessary to investigate how CLT behaves during a fire. Three different methodologies are used in the thesis to examine how CLT responds to various fire exposures. Initially, a literature review was conducted to form a foundation for the tests and the analysis. Information regarding mass timber reactions under various fire exposure is found through earlier research. Furthermore, in the fall of 2022, a large-scale compartment test with exposed CLT elements in the ceiling was conducted by Andreas S. Bøe as a part of the FRIC project. A few results from this test regarding charring and temperature development in the elements have been chosen and analyzed. Finally, the central part of the thesis is based on testing of small samples of CLT in a cone calorimeter and investigating the critical heat flux (HF) for unpiloted ignition and extinction on fresh and charred samples. Thermocouples were placed inside the elements during the tests making it possible to measure the continuous temperature rise during the tests. The results have been used to predict how the pyrolysis in the timber develops. The cone calorimeter tests show that fresh timber has a lower critical heat flux than charred timber, which correlates with the theory in the literature review. However, the difference is not severe, indicating that a charred layer does not protect the inner layer enough to keep it from reigniting during a fire development with as high temperatures as were seen in the Compartment Test. It was also observed that samples with no external heat flux radiations led to extinction within 5 minutes. Nevertheless, the critical heat flux for self-extinction has yet to be found. Analysis of charring rates has been conducted in both the small samples and the CLT elements used in the large-scale compartments tests, indicating that density affects the charring rate. Findings show that the average charring rate from the cone calorimeter is slightly lower than the one found in ISO standards but higher than the one found in the Compartment Test. Nevertheless, the charring rate from the Compartment Test has been affected by several factors, and the premises for calculating and comparing the charring rate may not be correct as the heat exposure varies during the Compartment Test, unlike the cone calorimeter tests with continuous heat flux.