Beteende hos samverkansbjälklag med stål och betong utsatta för brand. Numerisk parametrisk undersökning av den enkla dimensioneringsmetoden

Transkript

1 Beteende hos samverkansbjälklag med stål och betong utsatta för brand Numerisk parametrisk undersökning av den enkla dimensioneringsmetoden

2 Presentationens innehåll med den parametriska studien för den parametriska studien vid plattans ränder från den parametriska studien 2

3 med den parametriska studien Bakgrund FRACOF (Försök 1)- COSSFIRE (Försök 2) fullskaligt standardiserat brandförsök Samverkansbjälklaget har utmärkta brandegenskaper (utnyttjande av membranverkan) Max i stål 1000 C, brandvaraktighet 120 min Franska konstruktionsdetaljer Nedböjning 450 mm FICEB (Försök 3) fullskaligt naturligt brandförsök med balkar med hål i liven Kontroll av den enkla dimensioneringsmetodens tillämpning genom jämförelse med avancerade beräkningsmetoder Plattans nedböjning Töjning i armering 3

4 (1/3) Elementindelning av bjälklag Oskyddade mellanliggandebalkar Primärbalkar Skyddade sekundärbalkar 6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m 7,5 m x 15 m 9 m x 15 m Belastningsnivåer Lastkombination för blandlastfallet för kontorsbyggnader enligt EC0: G (Död last) Q (nyttig last) G= egentyngd kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m² 4

5 (2/3) Koppling mellan golv och stålpelare Betongplatta Bjälklag Betongplatta Bjälklag Pelare Balk Svetsbult Pelare Balk Svetsbult Med mekanisk koppling mellan platta och pelare Utan mekanisk koppling mellan platta och pelare 5

6 Temperatur [ C] (3/3) Brandklass: R30, R60, R90 and R R30 R60 R90 R120 Uppvärmning av balkar vid ränderna (max 550 C) Tid [min] 6

7 Finit elementmodell Finit elementanalys Hybridmodell baserad på flera olika varianter av finita element enligt ANSYS SHELL91 (6 DOF flera skikt): solida delen av betongplattan BEAM24 : stålpelare PIPE16 (6 DOF enaxligt element): koppling mellan stålbalkar och betongplattan Balk24 : stålbalk, samverkansplåt och betongbalk 7

8 Finit elementmodell Hybridmodell baserad på flera olika varianter av finita element enligt SAFIR Finit elementanalys Balkelement Skalelement 8

9 58 mm Bjälklagets egenskaper Finit elementanalys S235 balk COFRAPLUS60 trapetsformad samverkansplåt (t = 0,75 mm) Normalbetong C30/37 S500 armeringsnät Nät placering från överkant betong = 45 mm mm mm 62 mm 120 mm (R30) 130 mm (R60) 140 mm (R90) 150 mm (R120) 9

10 Spänning [MPa] Termomekaniska egenskaper (1/2) Finit elementanalys Stålets termomekaniska egenskaper : Termiska egenskaper enligt EC4-1.2 Densiteten oberoende av temperaturen (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Spännings-töjningssamband: C 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C 1100 C 1200 C Töjning [%] 10

11 Termomekaniska egenskaper (2/2) Finit elementanalys Betongens termomekaniska egenskaper : Termiska egenskaper enligt EC4-1.2 Densiteten varierar som funktion av temperaturen enligt EC4-1.2 Drucker-Prager flytkriterium Reduktionsfaktorer för tryckspänning enligt EC4-1.2: 1.2 1, , , , , Temperatur [ C] 11

12 Validering av FE-modell med ANSYS mot försök 1 (1/2) Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys) numeriska modellen C B A C B A Oskyddade stålbalkar Skyddade sekundärbalkar C B A E D C A F B Skyddade primärbalkar Samverkansbjälklag 12

13 Displacement (mm) Validering av FE-modell med ANSYS mot försök 1 (2/2) Jämförelse med brandförsök (nedböjning) Simulerade deformationer i plattan efter försök numeriska modellen Central part Mid-span of of the floor unprotected central secondary beams Mid-span of protected primary beams Test Simulation Mid-span of protected edge secondary beams Time (min) Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar 13

14 Validering av FE-modell med SAFIR mot försök 1 (1/2) Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys) C B A numeriska modellen Oskyddade stålbalkar E D C A F B Samverkansbjälklag 14

15 Validering av FE-modell med ANSYS mot försök 1 (2/2) Jämförelse med brandförsök (nedböjning) Simulerade spänningar i plattan vid slutet av försöket numeriska modellen Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar 15

16 Validering av FE-modell med SAFIR mot försök 2 (1/2) Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys) C B A numeriska E F modellen Oskyddade stålbalkar D C A B Samverkansbjälklag 16

17 Validering av FE-modell med ANSYS mot försök 2 (2/2) Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys) Simulerat spänningar i plattan vid slutet av försöket numeriska modellen Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar 17

18 Validering av FE-modell med SAFIR mot försök 3 (1/3) Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys) numeriska modellen Oskyddade stålbalkar Samverkansbjälklag 18

19 Reduction factors Reduction factors (x 1E-3) Validering av FE-modell med SAFIR mot försök 3 (2/3) Hybridmodellen tar hänsyn till livbuckling med skalelement 1,0 0,8 k ay,θ 0,6 k Ea,θ numeriska modellen 0,4 0,2 0,0 k ap,θ Temperature ( C) 1 0,8 k ay,θ 0,6 0,4 k Ea,θ 0,2 0 k ap,θ Temperature ( C) 19

20 Validering av FE-modell med ANSYS mot försök 3 (3/3) jämförelse med brandförsök (nedböjning) Diamond 2009.a.4 for SAFIR FILE: UlsterH1 NODES: 2031 BEAMS: 260 TRUSSES: 0 SHELLS: 1664 SOILS: 0 IMPOSED DOF PLOT N1-N2 MEMBRANE FORCE PLOT TIME: sec - Membrane Force + Membrane Force Simulerade spänningar i plattan vid slutet av försöket numeriska Z modellen X Y Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar 20

21 Randvillkor S1 S2 9 m S1 S2 S3 C H O R S4 Ö N R E N R 9 m S3 S4 9 m 9 m Del av bärverk i en riktig byggnad Modell med ANSYS Slutsats De viktigaste simulerade nedböjningarna i hörndelen (S4) med 2 kontinuerliga ränder än i delarna S1-S3 med 3 eller 4 kontinuerliga ränder 21

22 Kriterium enligt SDM [mm] OSÄKER (1/4) Jämförelse mellan nedböjning enligt FEA och den maximalt tillåtna nedböjningen enligt den enkla dimensioneringsmetoden (SDM) 1000 SÄKER R 30 R 60 R 90 R Avancerad numerisk modell [mm] Med mekanisk koppling mellan plattan och pelaren vid avancerade beräkningar 22

23 Kriterium enligt SDM [mm] OSÄKERT (2/4) Jämförelse mellan nedböjning enligt FEA och den maximalt tillåtna nedböjningen enligt den enkla dimensioneringsmetoden (SDM) SÄKERT 10% R 30 R 60 R 90 R Avancerad numerisk modell [mm] Utan mekanisk koppling mellan plattan och pelarna vid avancerade beräkningar 23

24 (3/4) Jämförelse mellan tiden när nedböjningarna enligt FEA når spännvidd/30 och brandmotstånd enligt den enkla dimensioneringsmetoden (SDM) 3 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m t Span/30 / t Fire Resistance 2 R 30 R 60 R 90 R Slutsats 0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 Kravet spännvidd/30 överskrids inte med FEA under beräknad brandmotståndstid enligt SDM 24

25 Max. Töjning i armering (4/4) Töjning i armeringsjärn 5% 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 4% 3% 2% 1% 0% R 30 R 60 R 90 R 120 Töjning j armeringsjärn 5 % = Min. tillåten töjningskapacitet enligt EC

26 Den enkla dimensioneringsmetoden ger resultat på säker sida jämfört med resultat från avancerade beräkningar Töjningen av armeringsnätet ligger generellt under 5 % Mekaniska kopplingar mellan platta och pelare kan reducera samverkansbjälklagets nedböjning vid brand, men dessa är inte nödvändiga konstruktionsdetaljer Den enkla dimensioneringsmetoden kan på säker sida förutsäga hur samverkansbjälklag av stål och betong beter sig under en standardiserad brand 26