FIRE SAFETY DESIGN. NULLIFIRE S Dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner baserade på NT FIRE 021

Transkript

1 FIRE SAFETY DESIGN FSD project no NULLIFIRE S Dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner baserade på NT FIRE 021 Date: Revised: - Fire Safety Design AB MSc Sebastian Jeansson Fire Safety Design AB P.O. Box 3061 S Malmö Sweden Org no.: SE Telephone: Telefax: info@fsd.se

2 Document information FSD Project no.: Project title: NULLIFIRE S Document title: Dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner baserade på NT FIRE 021 (Swedish language) Document number: C-0 Client: Client reference: Nullifire Ltd. Torrington Avenue, Coventry CV4 9TJ UK John Gordon Tel.: Fax: Issued by: Checked by: Sebastian Jeansson Tommy Wågsäter Key words: Swedish language report based on FSD report , Rev A: Assessment of Nullifire S Intumescent Coating for Steel Structures, Calculations According to NORDTEST Method NT Fire 021 for Sweden ( ). Report status: Confidential Internal Open Version 0 SJ TW Version Date Issue Executor Controller Sida 1

3 Innehållsförteckning 1 Introduktion Omfattning Brandteknisk klassificering Termisk påverkan enligt standardbrandkurvan Definition av kritisk ståltemperatur Resulterande kritisk ståltemperatur Dimensioneringstabeller Referenser Sida 2

4 1 Introduktion På uppdrag av Nullifire Ltd har Fire Safety Design AB tagit fram dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner med brandskyddsfärgen NULLIFIRE S Tabellerna är baserade på försök utförda av Warrington Fire Research Centre Ltd enligt NT FIRE 021 och dokumenterade i rapporten FSD , Rev A: Assessment of Nullifire S Intumescent Coating for Steel Structures, Calculations According to NORDTEST Method NT Fire 021 for Sweden ( ) /1/. I dimensioneringstabellerna anges erforderlig appliceringstjocklek NULLIFIRE S i torrt tillstånd som funktion av sektionsfaktor och lastutnyttjandegrad i brandtillståndet samt motsvarande kritiska ståltemperatur. Framtagna tabeller omfattar två brandtekniska klasser, R30 respektive R60, avseende 3- och 4-sidigt exponerade I- och RHS-tvärsnitt. 1.1 Omfattning Erforderlig mängd brandskyddsfärg för 3- respektive 4-sidigt brandexponerade stålkonstruktioner baseras på profilfaktorn där temperaturhöjningen beror på förhållandet mellan profilens exponerade yta och tvärsnittsarea. Dimensioneringstabellerna i avsnitt 5 baseras på standardbrand enligt ISO 834 och Eurocode 1 /5/ och omfattar en kombination av profiltyp, konstruktionstyp, lastutnyttjandegrad i brandtillståndet med tillhörande kritiska temperaturer, profilfaktor och appliceringstjocklek av NULLIFIRE S enligt följande: Profiltyp: I- respektive RHS Tvärsnitt Exponering I-tvärsnitt: 3- och 4-sidig ISO 834 under 30, 60 & 90 min. RHS: 3- och 4-sidig ISO 834 under 30 och 60 min. Konstruktion: Balkar och pelare av stål Lastutnyttjandegrad i brandtillståndet: % Profilfaktor m -1 (I-tvärsnitt), m -1 (RHS-tvärsnitt) Appliceringstjocklek: 0,2 1,25 mm (torrtjocklek I-tvärsnitt) 0,2 1,10 mm (torrtjocklek RHS-tvärsnitt) Angivna lastutnyttjandegrader baseras på laster och partialkoefficienter i brandtillståndet. En konvertering av lastutnyttjandegraden från normaltillståndet (brottgränstillståndet) till brandtillståndet omfattas inte i detta arbete. 1.2 Brandteknisk klassificering Byggnadskonstruktioner och konstruktionsdelar indelas generellt i brandtekniska klasser med avseende på dess avskiljande (EI) och bärande (R) förmåga vid brand. Funktionskravet åtföljs av en tidsangivelse i minuter som anger hur länge funktionen är uppfylld. För en bärande byggnadsdel innebär funktionskravet att byggnadsdelen ej får kollapsa under den klassificerade tiden med aktuell belastning. För att en specifik konstruktion skall kunna hänföras till en brandteknisk klass krävs att dess beteende i en brandsituation verifieras på ett av följande sätt: Sida 3

5 provning i brandlaboratorium beräkning en kombination av provning och beräkning Dimensioneringsanvisningarna, avseende klassificering med hänsyn till den bärande funktionen, är framtagna genom en kombination av provningar och beräkningar enligt /1/. Den bärande funktionen upprätthålls genom kontroll att lasteffekten i brandtillståndet inte överstiger strukturens bärförmåga i brandtillståndet. Detta innebär att följande villkor skall vara uppfyllt: R > S (1-1) d, fi d, fi där S d, fi = lasteffekten i brandtillståndet R d, fi = bärförmåga i brandtillståndet Lasteffekten kan beräknas enligt Eurocode 3 eller nationella standarder. Reduceringen av bärförmågan kan uttryckas med en tillhörande kritisk temperatur, beskriven i avsnitt 3. 2 Termisk påverkan enligt standardbrandkurvan I enlighet med BKR (10:21) /2/ får, vid dimensionering genom beräkning, bärförmågan beräknas med utgångspunkt från brandpåverkan definierad av standardbrandkurvan ISO 834 /5/. Den termiska påverkan enligt standardbrandkurvan ISO 834 beskrivs av en uppvärmning av gastemperaturen i överensstämmelse med figur 2-1. Uppvärmningsfasen följer ett samband definierat i ekvation 2-1. T ( t) = 345 log(480t + 1) + T0 t > 0 (2-1) där t = tiden i h T(t) = gastemperatur i C vid tiden t T 0 = temperatur i C vid tiden 0. Sida 4

6 Gas temperature [ C] Time [h] Figur 2-1 Termisk påverkan enligt standardbrand ISO Definition av kritisk ståltemperatur Vid brand utsätts en konstruktion för termisk påverkan med resultatet att temperaturen i materialet successivt höjs. Detta medför en minskning av bärförmågan beroende på konstruktionens temperaturtidfält. Kännedom om de ingående materialens mekaniska egenskaper vid höga temperaturer utgör därför ett nödvändigt underlag vid brandteknisk dimensionering. I enlighet med Eurocode 3 /3/ tillåts en högre påkänning och ett större utnyttjande av materialegenskaperna vid brand än under normala omständigheter. Dimensionerande materialparametrar regleras genom partialkoefficienter, vilka varierar för dimensionering i brottgräns- och brandstadiet. Den bärande konstruktionsdelens lastutnyttjandegrad kan omsättas till en kritisk ståltemperatur enligt Eurocode 3 /3/, se ekvation 3-1. där 1 T cr = 39,19 ln (3-1) μ 0 μ 0 = initiell lastutnyttjandegrad i brandtillståndet vid tiden t = 0 T = kritisk ståltemperatur cr Den ursprungliga lastutnyttjandegraden i brandtillståndet definieras som μ 0 = Sd,fi Rd,fi,0 Sida 5

7 där R d,fi,0 = relativ bärförmåga i brandtillståndet vid tiden t = 0 S = lasteffekten i brandtillståndet (se ekvation 1-1) d,fi Den kritiska ståltemperaturen avseende en initiell lastutnyttjandegrad i brandtillståndet mellan 10-90% visas i tabell 3-1. Lastutnyttjandegrad Kritisk ståltemperatur μ C 0 0, , , , , , , , ,1 829 Tabell 3-1 Kritisk ståltemperatur enligt Eurocode 3 avseende en initiell lastutnyttjandegrad i brandtillståndet mellan 10-90%. Figur 3-1 Exempel på brandskyddade stålkonstruktioner med I-profil respektive RHS-profil. Temperaturhöjningen i en brandpåverkad konstruktion och därmed också mängden brandskydd, beror på profilfaktorn. Profilfaktorn är ett mått på förhållandet mellan profilens exponerade yta och tvärsnittsarea, vilket vanligen uttrycks som (m -1 ). -förhållandet för en generell I-profil respektive RHS-profil visas i figur 3-2. Sida 6

8 4-sidig 3-sidig I-Profil F = 4 b 2 d + 2 h A = 2 b t + ( h - 2 t) d) F = 3 b 2 d + 2 h A = 2 b t + ( h - 2 t) d) RHS-profil F = 2 b + 2 h A = 2 t ( b + h - 2 t) F = b + 2 h A = 2 t ( b + h - 2 t) Figur 3-2 förhållandet för en I-profil respektive RHS-profil. 4 Resulterande kritisk ståltemperatur Kritisk ståltemperatur som funktion av profilfaktor och appliceringstjocklek Nullifire S för de brandtekniska klasserna R30 och R60 med 3- och 4-sidigt exponerade I- och RHS-sektioner visas i figurer 4-1 till 4-6. Ståltemperaturerna är härledda ur analyser utförda i enlighet med NT Fire 021, /1/. Sida 7

9 minutes 3-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm 600 Temperature [ C] Figur 4-1 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 3-sidig brand och brandklass R minutes 3-sided I sections Temperature [ C] thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm thickness = 1.1 mm thickness = 1.2 mm Figur 4-2 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 3-sidig brand och brandklass R60. Sida 8

10 Temperature [ C] minutes 3-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm thickness = 1.1 mm thickness = 1.2 mm thickness = 1.25 mm Figur 4-3 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 3-sidig brand och brandklass R minutes 4-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm 600 Temperature [ C] Figur 4-4 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 4-sidig brand och brandklass R30. Sida 9

11 60 minutes 4-sided I sections Temperature [ C] thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm thickness = 1.1 mm Figur 4-5 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 4-sidig brand och brandklass R minutes 4-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm Temperature [ C] Figur 4-6 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 4-sidig brand och brandklass R90. Sida 10

12 minutes RHS sections thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm Temperature [ C] Figur 4-7 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för RHS-tvärsnitt i brandklass R minutes RHS sections Temperature [ C] thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm Figur 4-8 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för RHS-tvärsnitt i brandklass R60. Sida 11

13 5 Dimensioneringstabeller Erforderlig mängd av NULLIFIRE S på 3- och 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med öppna respektive slutna tvärsnitt redovisas i tabeller Värdena i dimensioneringstabellerna grundas på lastutnyttjandegraden i brandtillståndet, μ 0. Sida 12

14 Nullifire S Dimensioneringstabell för 3-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] sidig Brandklass R sidig Brandklass R sidig Brandklass R Tabell 5-1 a Dimensioneringstabell för 3-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 13

15 Nullifire S Dimensioneringstabell för 3-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] sidig Brandklass R sidig Brandklass R sidig Brandklass R Tabell 5-1 b Dimensioneringstabell för 3-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 14

16 Nullifire S Dimensioneringstabell för 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] sidig Brandklass R sidig Brandklass R sidig Brandklass R Tabell 5-2 a Dimensioneringstabell för 4-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 15

17 Nullifire S Dimensioneringstabell för 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] sidig Brandklass R sidig Brandklass R sidig Brandklass R Tabell 5-2 b Dimensioneringstabell för 4-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 16

18 Nullifire S Dimensioneringstabell för 3- och 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med RHS-tvärsnitt Kritisk temp. T cr [ C ] Lastutnyttjandegrad % μ Brandklass R tjocklek Brandklass R tjocklek Tabell 5-3 Dimensioneringstabell för 3- och sidigt exponerade balkar och pelare med RHStvärsnitt. Sida 17

19 6 Referenser /1/ FSD-rapport , Rev A: Assessment of Nullifire S Intumescent Coating for Steel Structures, Calculations According to NORDTEST Method NT Fire 021 for Sweden ( ) /1/. /2/ BKR, Boverkets Konstruktionsregler. Karlskrona /3/ Eurocode 3. Design of steel structures - Part 1-2: General rules -Structural Fire Design, ENV CEN Brussels /4/ SUPER-TEMPCALC, A Commercial and User-friendly Computer Program with Automatic FEgeneration For Temperature Analysis of Structures Exposed to Fire, Anderberg Y., FIRE SAFETY DESIGN AB. Lund /5/ Eurocode 1. Basis of design part 2.2, Actions on structures exposed to fire, ENV CEN Brussels 1994 /6/ TCD 5.0 User s Manual, rev. 4, Jeansson, S, FIRE SAFETY DESIGN AB, Lund /7/ ECCS No 89 - Technical committee 3, Fire Safety of Steel Structures. September /8/ NAD SS-ENV , National application document for Eurocode 3 part 1.2, Structural fire design. /9/ JOHANNESSON P., VRETBLAD B.: Byggformler och tabeller. Liber Utbildning AB. Uppsala /10/ Anderberg, Y.: Properties of materials at high temperatures steel. Rilem report /11/ Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L.: The Finite Element Method, Volume 2, 4 th Edition, McGraw-Hill International (UK) Ltd, London, /12/ Holman, J. P.: Heat Transfer, Seventh edition, Singapore /13/ ENV : Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members - Part 4: Applied protection to steel members. CEN Brussels Sida 18