ETH Library Fire safety of bonded structural timber elements Doctoral Thesis Author(s): Klippel, Michael Publication date: 2014 Permanent link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-010171655 Rights / license: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information, please consult the Terms of use. DISS. ETH NO. 21843 FIRE SAFETY OF BONDED STRUCTURAL TIMBER ELEMENTS A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by MICHAEL KLIPPEL Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing., RWTH Aachen University born on 14.09.1983 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Andrea Frangi, examiner Prof. Dr. Klaus Richter, co-examiner Prof. Dr. Mario Fontana, co-examiner 2014 i Acknowledgement I would like to express my deepest appreciation to my thesis supervisors, Professor Dr. Andrea Frangi and Professor Dr. Mario Fontana. In particular, I would like to thank Professor Dr. Andrea Frangi for his exceptional guidance, constant encouragement, and unique support and commitment throughout the course of my research work. I sincerely thank my external examiner, Professor Dr. Klaus Richter, for his important and highly appreciated input, the fruitful discussions and the valuable time he devoted to my thesis. I express my earnest thanks to Joachim Schmid from SP Wood Technology, Stockholm, Sweden, for his overwhelming support for this research. I appreciate the great exchange with all my colleagues and friends who have worked with me at the Institute of Structural Engineering (IBK) and Institute of Building Materials (IfB). The friendly and pleasant work environment and readily provided help and advice is gratefully acknowledged. Thanks a lot, guys! Further, I am grateful for the support by the Swiss Commission for Technology and Innova- tion (CTI) and all industrial partners involved in this project. I would like to thank my parents, my sister and her husband for their everlasting support. I express my deep gratitude to my wife, Miriam, for her patience, endless encouragement and loving support. Zurich, March 2014 Michael Klippel ii iii Abstract Bonded connections in timber structures have been used for more than 100 years with the first patent for glued-laminated timber beams dating back to 1906 received by Otto Hetzer. In the beginning, casein adhesives were mostly used for gluing of engineered wood products and in the early 1940s replaced by phenolic-formaldehyde adhesives. Later on, to achieve lower hardening temperatures and to improve the bond strength, resorcinol was added as an additional compo- nent of the adhesive. Those (phenolic)-resorcinol-formaldehyde adhesives (RF/PRF) performed successfully on the market given their excellent structural performance, long-term performance and resistance to elevated temperatures, which also guaranteed excellent structural performance in fire. Since the 1970s, new adhesives have entered the market, such as melamine-(urea)- formaldehyde (MF/MUF) adhesives, which have lower costs and shorter hardening times. The development of polyurethane (PUR) adhesives for engineered wood products started in Switzer- landin1985. Thoseadhesivessatisfiedtheneedforformaldehydefreeadhesives, whichismainly attributed to health and environmental reasons. However, due to new requirements concerning the high temperature resistance of adhesives, especially in North America, newly developed ad- hesives are basically banned from the market, and adhesive manufacturers face a new barrier to approve their new adhesive technologies on the market. The work presented in this thesis clari- fies the influence of adhesives on the fire design of glued-laminated timber beams. Additionally, clear scientifically based requirements are identified, which should be met by adhesives used in glued-laminated timber beams in case of fire. Nowadays, fire design models for timber structures, such as the “Reduced cross-section method” given in EN 1995-1-2 (2004), usually consider both the loss in cross-section attributed to charring and the temperature-dependent reduction of strength and stiffness of the uncharred residual cross-section. For glued structural timber elements such as glued-laminated timber beams, it is assumed that the adhesive does not significantly influence the fire resistance. In this thesis, twelve different adhesives for both structural and non-structural applications were tested in large-scale fire tests on finger-jointed timber lamellas. Those fire tests indicated that structural adhesives certified according to current European testing standards exhibit sufficient strength in fire for the use in glued-laminated timber beams. Taking into account the crack pattern observed in the fire tests, no significant influence on the fire resistance was found be- tween the studied structural adhesives. Therefore, it is not necessary to consider the influence of adhesives in the design of glued-laminated timber beams, given that the adhesive is approved according to current European testing standards. For the investigation of the performance of the adhesive used in glued-laminated timber members, it is most favourable to use a simple small-scale test method that the adhesive man- ufacturers can use in their own laboratories. Therefore, establishing a link between small-scale tests at elevated temperatures and large-scale fire tests is of high importance, in order to re- place expensive fire tests with easy-to-perform small-scale tests. In this thesis, twelve different adhesives were tested in large-scale fire tests on finger-jointed timber lamellas and in small-scale iv finger-jointed specimens at elevated temperatures. The comparison of the results from both test campaigns showed that the fire resistance of large-scale finger-jointed timber lamellas is overes- timated using the temperature-dependent strength reduction obtained from small-scale tests at elevated temperatures. Further, no difference could be found in the small-scale tests at elevated temperatures between those adhesives that reached a high fire resistance in the large-scale tests and those adhesives with a low fire resistance. Therefore, it is not recommended to introduce a new European test method to asses the performance of adhesives in glued-laminated timber beams exposed to fire. Current European testing standards are adequate to guarantee sufficient strength of adhesives for the use in glued-laminated timber in case of fire. For the fire design of structural timber members, EN 1995-1-2 (2004) provides the “Reduced cross-section method”. This method considers the reduction of timber strength and stiffness at elevated temperatures by introducing a constant zero-strength layer d0 = 7 mm, independent of thefireresistance,cross-sectiondimensionsandstressstate. Inthepresentthesis,withextensive numerical investigations on glued-laminated timber beams considering the natural variability of timber, it was found that the zero-strength layer d0 is not a constant value and should be discussed in a future release of EN 1995-1-2 for glued-laminated timber in bending. Further, a change of the zero-strength layer d0 should be considered independently of the adhesive used in the finger-joint of such members. v Zusammenfassung Geklebte Verbindungen werden im Holzbau seit mehr als 100 Jahren verwendet. Das erste Pa- tent für Brettschichtholzträger erhielt Otto Hetzer im Jahr 1906. Zunächst wurden insbeson- dere Kasein Klebstoffe verwendet, die in den früheren 1940er Jahren von Phenol-Formaldehyd- Klebstoffen ersetzt wurden. Um niedrigere Aushärtetemperaturen zu erreichen und die Klebe- festigkeit zu erhöhen, wurden später zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Resorcin, dem Klebstoff beigemischt. Die zu dieser Zeit neuartigen (Phenol)-Resorcin-Formaldehyd Klebstof- fe (RF/PRF) erzielten schnell grosse Erfolge, da nun Klebverbindungen mit ausgezeichneten Festigkeiten und Langzeitverhalten hergestellt werden konnten. Diese neuen Klebverbindungen wiesen zudem eine hohe Widerstandsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen auf, wodurch auch ein hervorragendes Verhalten im Brandfall erreicht werden konnte. Seit den 1970er Jahren wur- den neuartige Klebstoffe entwickelt. Die neuen Melamin-(Harnstoff)-Formaldehyd (MF/MUF) Klebstoffe sind günstiger und härten schneller aus. Die Entwicklung neuartiger Polyurethan (PUR) Klebstoffe für den Einsatz im strukturellen Holzleimbau begann 1985 in der Schweiz. PUR Klebstoffe sind formaldehydfrei, da gesundheitliche und umweltbezogene Gesichtspunkte die Entwicklung neuer Klebstoffe beeinflussten. Aufgrund neuer Anforderungen hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit von Klebstoffen, insbesondere in Nordamerika, wurden die neuartigen Klebstoffe praktisch vom Markt verbannt. Diese neuen Anforderungen gründen allerdings auf keiner wissenschaftlichen Basis und stellen eine hohe Hürde für die Klebstoffhersteller dar. Die Entwicklung und Anwendung neuer Kleb- stofftechnologienwirdhierdurchenormerschwert.AusdiesemGrundwurdenindervorliegenden Arbeit klare wissenschaftlich begründete Anforderungen identifiziert, die Klebstoffe bei der An- wendung in tragenden Holzbauteilen wie Brettschichtholz im Brandfall erfüllen müssen. Bemessungsmodelle für Holzkonstruktionen im Brandfall, wie z.B. die “Methode mit redu- ziertem Querschnitt” nach EN 1995-1-2 (2004), berücksichtigen in der Regel die Querschnitts- reduktion durch den Abbrand sowie die temperaturabhängige Reduzierung von Festigkeit und Steifigkeit des unverkohlten Restquerschnittes. Für geklebte Holzbauteile wie Brettschichtholz- träger wird angenommen, dass der Klebstoff das Branderhalten nicht signifikant beeinflusst. In dervorliegendenArbeitwurdenzwölfverschiedeneKlebstoffeuntersucht,dieentwederimstruk- turellen Holzleimbau verwendet werden oder keine Zulassung für den strukturellen Holzleimbau besitzenundbeispielsweiseinderMöbelindustrieeingesetztwerden.MitdiesenKlebstoffenwur- den keilgezinkte Holzlamellen hergestellt, die auf dem kleinen Horizontalofen der Empa unter einer Zugbelastung geprüft wurden. Die Brandversuche zeigten, dass der Feuerwiderstand von der Versagensart dominiert wurde. Unter Berücksichtigung der beobachteten Bruchbilder ließen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den geprüften strukturellen Klebstoffen feststel- len, die nach aktuellen europäischen Prüfnormen zugelassen sind. Aus diesem Grund darf das Klebstoffverhalten von im strukturellen Holzleimbau in Europa zugelassenen Klebstoffen bei der Bemessung von Brettschichtholzträgern für den Brandfall vernachlässigt werden. vi Zur Untersuchung des Klebstoffverhaltens im Brandfall eines Brettschichtholzträgers ist es grundsätzlich vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Testmethode bei erhöhten Tempera- turenzuentwickeln,diedieKlebstoffherstellerbeiderEntwicklungneuerKlebstoffeeigenständig durchführen können. Hierzu ist es wichtig, dass durch diese einfache Testmethode bei erhöhten Temperaturen Rückschlüsse auf das Verhalten des Klebstoffes im Brandfall getroffen werden können, um zeitintensive und teure Großbrandversuche zu ersetzen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwölf verschiedene Klebstoffe in Großbrandversuchen sowie in Versuchen bei erhöhten Temperaturen an kleinen Probekörpern getestet. Der Vergleich der beiden Testmethoden zeigte, dass der Feuerwiderstand, der auf der Grundlage der Ergebnisse an den kleinen Probekörpern beierhöhtenTemperaturenermitteltwird,dentatsächlichenWertüberschätzt.Zudemkonntein denVersuchenankleinenProbekörpernbeierhöhtenTemperaturenkeinenUnterschiedzwischen denKlebstoffenfestgestelltwerden,dieindenGroßbrandversucheneinenhohenFeuerwiderstand erreichthaben,unddenen,dieeinenniedrigenFeuerwiderstanderzielten.AusdiesemGrundsoll- te keine zusätzliche Testmethode bei erhöhten Temperaturen in Europa eingeführt werden, um das Verhalten von Klebstoffen in Brettschichtholzträgern im Brandfall zu beurteilen. Aktuelle europäische Standards stellen bereits eine ausreichende Hürde bei der Zulassung der Klebstoffe dar, so dass eine ausreichende Festigkeit von Klebstoffen für den Einsatz in Brettschichtholz im Brandfall sichergestellt ist. Für die Brandbemessung von Holzbauteilen bietet die Norm EN 1995-1-2 (2004) eine ver- einfachte Berechnungsmethode an, die “Methode mit reduziertem Querschnitt”. Diese Metho- de berücksichtigt die Reduktion von Holzfestigkeit und -steifigkeit bei erhöhten Temperaturen durch die Einführung einer pauschalen Verkleinerung des Querschnittes von d0 = 7 mm, un- abhängig vom Feuerwiderstand, der Querschnittsabmessungen sowie des Spannungszustandes. Anhand umfangreicher numerischer Untersuchungen an Brettschichtholzträgern unter Berück- sichtigung der natürlichen Variabilität von Holz konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass in einer zukünftigen Revision der EN 1995-1-2 eine Änderung von d0 bei der Brandbemessung von Brettschichtholzträgern diskutiert werden sollte. Diese Änderung sollte unabhängig von dem in den Keilzinken von Brettschichtholzträgern verwendeten Klebstoff betrachtet werden. Contents List of Tables xi List of Figures xiii 1 Introduction 1 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Research significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.5 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 State-of-the-Art 5 2.1 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Standardisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Tests at elevated temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Fire tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.1 Glued-laminated timber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.2 Cross-laminated timber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3 Fire Behaviour of Glued Timber Members 21 3.1 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Material properties of timber exposed to fire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.1 Thermal properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.2 Thermal-mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 Thermal-mechanical properties of adhesives in timber members . . . . . . . . . . 27 3.4 Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4 Experimental Investigations 31 4.1 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31