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轻型木框架组合件分离性能验证的设计模型
安德里亚·弗兰基，瓦妮莎·施莱弗，马里奥·丰塔纳
瑞士苏黎世结构工程研究所
文章历史：
2009年8月18日收到
2009年12月10日修订的表格
2009年12月22日接受
2010年1月15日在线提供
关键词：木材火灾
火灾试验
ISO火灾暴露设计模型分离功能
热分析的绝缘和完整性标准
轻型木框架组件
摘要：
为了提供足够的防火分区来限制火灾蔓延，构成防火分区边界的构件的设计和建造方式应确保它们在所需的火灾暴露期间保持其分离功能（绝缘和完整性标准）。虽然防火测试仍然广泛用于验证轻型木框架组件的分离功能，但设计模型正变得越来越普遍。瑞士苏黎世理工学院与瑞士材料测试与研究实验室（Empa）合作，开展了一项关于轻质木框架墙和地板组件与石膏板和人造板包层分离功能的综合研究项目。本研究计划的目标是研究一个改良的设计模式，以验证轻型木结构框架墙与地板组件的分离功能。大量的小型火灾试验对石膏板和人造板保护层的热性能进行不同参数的分析，火灾试验的结果允许对用于有限元分析的热特性进行验证和校准。在广泛的有限元参数研究的基础上，计算了轻型木框架墙、楼板组合件分离功能验证设计模型的系数。通过火灾试验对设计模型进行了验证。本文首先介绍了轻型木框架墙、楼板组合件分离功能验证设计模型的基本结构。然后，给出了实验和数值分析的主要结果。计算结果允许验证设计模型的系数，以验证轻型木框架墙和楼板组合件的分离功能。
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1.介绍
轻型木框架墙和地板组件是木结构建筑中典型的结构构件。组件由实心木钉或梁组成，其覆层由石膏板、人造板或这些层的组合制成。空腔可填充由岩石、玻璃或木纤维制成的绝缘材料，或包括空隙。与火灾暴露构件的炭层对剩余未燃烧剩余横截面起到有效保护作用的重型木结构不同，承重和非承重轻型提木框架组件的防火性能主要取决于包层提供的保护[1-3]。
为了通过保证足够的防火分区来限制火灾蔓延，构成防火分区边界的构件的设计和构造，应确保它们在所需的火灾暴露期间保持其分离功能（完整性E和绝缘性I的要求）。所需时间通常用标准火灾暴露[4]表示为耐火性，并由建筑法规规定。虽然防火测试仍然广泛用于验证轻型木框架组件的分离功能，但设计模型正变得越来越普遍。对于ISO，如果整个非暴露表面的平均温升限制在140 K，且该表面任何点的最大温升不超过180 K，从而防止相邻隔间内的物体着火，则可假定满足I（绝缘）标准。如果在结构未暴露的一侧未观察到火焰或热气体，则可假定满足标准E（完整性）。标准I（绝缘）定义明确，因此可以通过传热计算而不是测试进行验证。另一方面，标准E（完整性）主要由观察结果决定，因为计算仍然非常复杂（裂纹形成、热气体动力学等）。例如，过早的完整性失效可能是由于覆层突然失效或间隙打开，这通常取决于施工细节，如固定件。然而，对墙壁和地板组件进行全面测试的丰富经验允许定义一些关于墙壁和地板组件细节的规则，这些规则已包括在例如EN 1995-1-2[5]中。因此，如果满足标准I（绝缘）并且面板保持固定在未暴露侧的木结构上，则可以假定满足标准E（完整性）。
在木结构建筑中，墙和地板大多是通过添加不同的层来形成一个集合。为了验证木材组件的分离功能，常用的方法是添加组分。这些模型被称为组分加性模型，因为分层结构的耐火性是通过增加不同层的耐火性来获得的。在[6]中，对英国[7]、加拿大[8]和瑞典[9]以及ENV 1995-1-2[10]中使用的轻型木框架墙和地板组合件的分离功能的验证计算模型进行了介绍和评述。根据EN 1995-1-2（附录E），现行设计方法基于瑞典成分添加剂法作为ENV 1995-1-2方法和加拿大方法的改进，瑞典组分添加剂法考虑了相邻材料对各层防火性能的影响，从而更恰当地描述了真实的防火性能。然而，设计方法是基于输入数据，这些数据是从对墙组件的有限数量的火灾试验中推导出来的，因此只涵盖有限范围的木结构。
分离函数综合研究项目轻质木框架墙和地板组件由石膏板和人造板制成在苏黎世ETH与瑞士合作进行材料测试和研究实验室（Empa）。这个研究项目的目标是开发分离验证的改进设计模型轻型木框架的功能（绝缘和完整性标准）墙壁和地板组件。大量小型火灾试验用不同参数（材料，厚度，层的位置和数量）对石膏板和木材制成的保护层-基础面板[11,12]。火灾测试的结果通过热特性的验证和校准有限元分析。基于广泛的有限元参数研究，设计模型以验证轻型木框架墙地板组合件的分离功能计算结果[13]。设计模型通过全面的火灾测试。论文首先描述了设计模型的基本结构轻型木框架分离功能的验证墙壁和地板组件。然后对实验的主要结果进行了数值分析。他们的结果是允许的设计模型系数的计算，轻型木框架墙隔震性能的验证和地板组件。
2木材结构分离功能设计方法
一种用于验证木结构的分离功能已经得到发展基于广泛的实验和有限元热分析[13]。设计方法能够考虑层数不限的木质组件石膏板、木板或其组合。这个空腔可以是空的，也可以填充由岩石或玻璃制成的绝缘材料纤维。设计方法适用于以下材料：
bull;实木面板（密度ge;400 kg/m 3）。
定向刨花板（OSB）（密度ge;550kg/m 3）。
bull;刨花板（密度ge;500kg/m 3）。
bull;胶合板（密度ge;400 kg/m 3）
表1
在等火暴露下测试石膏板的厚度和平均密度。
|
制造商 |
类型 |
测厚（mm） |
密度（kgm3）/ |
|
制造商1 |
石膏纤维板（GF） |
10, 12.5, 15, 18 |
1186 |
|
|
石膏板 |
15 |
908 |
|
|
（GP）A型 |
|
|
|
制造商2 |
石膏板 |
15 |
853 |
|
|
F型（GP） |
|
|
|
|
石膏纤维板（GF） |
12.5 |
1504 |
|
|
石膏板 |
10, 12.5, 15, 25 |
810 |
|
|
（GP）A型 |
|
|
|
制造商3 |
石膏板 |
15 |
889 |
|
|
F型（GP） |
|
|
|
|
石膏纤维板（GF） |
12.5 |
1313 |
bull;石膏板：
符合EN 520[14]的A、H和F型。
符合ASTM C1396[15]或CAN/CSA-82.27的X型-M91[16]。
bull;石膏纤维板符合EN 15283-2[17]。
bull;岩石纤维绝缘（密度ge;26 kg/m 3）。
bull;玻璃纤维绝缘（密度ge;15 kg/m 3）。
开发的设计方法是基于添加剂成分-EN 1995-1-2中给出的方法。因此木材装配被认为是不同层（包层、空隙率和绝缘空隙率）根据它们的功能和相互作用如下（图1）：
tins=tprot，i tins，n （1）
和
tprot，i i各层保护值t prot，i之和（在热流方向）在最后一层之前未暴露火面上的组件（最小值）
t ins，n绝缘值t ins，n组装层在未暴露的火侧（最小）。
可计算各层的保护和绝缘值根据下列一般方程式层的基本值，位置的系数组件中的层和接头的系数配置：
tprot，i=（tprot，0，i*kpos，exp，i*kpos，unexp，i ∆ti）*kj，i （2）
Tins，n=（tins，0，n*kpos，exp，n ∆tn）*kj，n （3）
tprot，i 第一层基本保护值（最小）（图1以及表3）。
tins，0，n 最后一层的基本绝缘值（最小）在未暴露的火上的集会侧面（图1和表3）。
∆ti，∆tn 保护层校正时间（最小）F型或X型石膏板以及石膏纤维板（表5）。
kpos，exp，i，kpos，exp，n 考虑的位置系数层前各层的影响考虑（表4）。
kpos，unexp，i 考虑的位置系数背衬层的影响考虑（表6）。
kj，i ，kj，n 接缝系数（表7）。
三火灾试验
一系列17个小型火灾试验（如下所述为V1到V17）是用未加载的试件进行的，这些试件由石膏层或经受ISO防火处理的木材层组成。在电磁脉冲水平炉内进行了燃烧试验，炉内尺寸为1.0times;0.8m。
木框架构件
N层
i层
1层
N-1层
具有保护功能的层
具有绝缘功能的最后一层
图1木框架墙和地板组件：不同层的编号和功能
表2
小规模试验V4和V9关于绝缘标准（温升标准：组件未暴露一侧的140°C180°C）的测量耐火性。/
试样
绝缘时间（分）
火灾试验
数字
V9
10 10 10 mm石膏纤维板
fibreboards
57
V4
15 15 mm 带空
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