VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSKYDD AV STÅLELEMENT

Transkript

1 ISRN UTH-INGUTB-EX-B-2015/28-SE Examensarbete 15 hp Juni 2015 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSKYDD AV STÅLELEMENT - En teoretisk undersökning Elias Lindqvist Sebastian Mäcs

2

3 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSKYDD AV STÅLELEMENT - En teoretisk utredning Elias Lindqvist, Sebastian Mäcs Institutionen för teknikvetenskaper, Tillämpad mekanik, Byggteknik, Uppsala universitet Examensarbete 2015

4 Detta examensarbete är framställt vid Institutionen för teknikvetenskap, Tillämpad mekanik, Byggteknik, Uppsala universitet, Box 337, Uppsala ISRN UTH-INGUTB-EX-B-2015/28-SE Copyright Elias Lindqvist, Sebastian Mäcs Institutionen för teknikvetenskaper, Tillämpad mekanik, Byggteknik, Uppsala universitet ii

5 Abstract HEAT RADIATION SHIELDS AS FIRE PROTECTION OF STEEL MEMBERS Elias Lindqvist, Sebastian Mäcs Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box Uppsala Telefon: Telefax: Hemsida: In fire tests performed in Australia meant to examine the effectivity of sprinkler systems, a few simple heat radiation shields made of highly reflective materials were also tested. In the trials three identical steel columns were exposed to fire in an office building. One of those columns were shielded with a galvanized steel sheet, the second with an aluminized steel sheet while the third was left unprotected. Data from the trial shows that the temperature of the steel columns was measured to 580 C and 427 C for the protected columns and 1064 C for the unprotected. Despite the positive results hardly any further studies has been made on this subject, which have motivated this report. The main goal of this report is to, with the help of theoretical experiments, prove that heat radiation shields can be used as a fire protection system for steel profiles. By implementing the underlying theory of heat transfer into a program capable of calculating a certain material s ability to protect a steel profile from radiant heat, the temperature of the profile could be estimated. Results show that in order to sufficiently protect a VKR 200x200x10 millimeter steel profile exposed to 30 minutes of fire, a 1 millimeter heat radiation shield made out of a material with no less than 80 percent heat reflectivity has to be used. The material must also contain its reflectivity during the entire period, have a high enough density and not melt at a temperature lower than 1000 C. Handledare: Mattias Forsberg Ämnesgranskare: Amra Battini Examinator: Caroline Öhman ISRN UTH-INGUTB-EX-B-2015/28-SE Tryckt av: Polacksbackens Repro, Inst. för teknikvetenskaper, Uppsala universitet

6 SAMMANFATTNING I samband med ett brandförsök i Australien ämnat att undersöka sprinklersystem, testades även några enklare värmestrålningssköldar av olika högreflekterande material. I försöket placerades tre obelastade pelare ut och utsattes för full brand. Två av pelarna avskärmades med förzinkad stålplåt respektive aluminiserad stålplåt och en pelare var helt oskyddad och användes som referens. Mätningar från brandförsöket visar att den maximala ståltemperaturen, i de tre olika pelarna, uppmättes till 580 C, 427 C respektive 1064 C. Även då resultaten var positiva har få vidare undersökningar utförts, vilket har motiverat denna rapport. Rapportens huvudmål har varit att med hjälp av teoretiska experiment påvisa att värmestrålningssköldar kan användas som brandskydd för stålkonstruktioner. Metoden för genomförandet av arbetet har varit att sätta sig in i den bakomliggande teorin och bygga upp ett enklare beräkningsprogram där, utifrån givna materialegenskaper, olika sorters sköldars förmåga att brandskydda ett ståltvärsnitt beräknas. De första kapitlen beskriver bakomliggande teori rörande brand och termofysik. Detta följs upp av några exempel på tänkbara värmestrålningssköldar, en enklare kostnadskalkyl där jämförelse av andra brandskyddsmetoder har gjorts och slutligen ett förslag på hur sköldar ska dimensioneras. För att skydda en VKR-profil 200x200x10 i 30 minuter måste en 1 millimeter tjock sköld med en luftspalt på 20 millimeter, mellan pelare och sköld, bestå av ett material som reflekterar minst 80 procent av all värmeenergi som strålar mot den under hela brandförloppet. Skölden ska även ha en hög densitet, specifik värmekapacitet och smältpunkt. Detta kan jämföras med aluminiumfolie som reflekterar omkring 95 procent, men varken har den densitet eller smältpunkt som krävs för att hantera de extrema förhållandena vid brand. Det visar sig även att i dagsläget är brandskydd med hjälp av värmestrålningssköldar relativt dyrt jämtemot traditionella brandskyddsmetoder. Nyckelord: Värmestrålningssköld, Brandskydd, Brand, Stålkonstruktioner, Strålning, Stål, Stålpelare, Emissivitet, Aluminiserad stålplåt iv

7 FÖRORD Detta examensarbete är utfört under vårterminen 2015 vid Institutionen för teknikvetenskaper, avdelningen Tillämpad mekanik, Uppsala Universitet. Detta examensarbete är den avslutande delen av högskoleingenjörsutbildningen i Byggteknik vid Uppsala Universitet. Arbetet är utfört i samarbete med Sweco Structures AB i Stockholm. Vi vill först och främst tacka vår handledare Mattias Forsberg på Sweco Structures AB som kom med idén till arbetet och hjälpt oss föra arbetet framåt. Vi vill även tillägna ett stort tack till Egzon Haliti på Sweco Systems AB som tagit fram underlag för en brandsimulering. Även ett stort tack till Robert Jansson på SP, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, som med sitt kunnande bidrog till projektets framfart. Slutligen vill vi tacka vår ämnesgranskare Amra Battini vid Uppsala Universitet som uppmuntrat oss och varit behjälplig när det behövts. Uppsala, juni 2015 Elias Lindqvist, Sebastian Mäcs v

8 vi

9 BETECKNINGAR Grekiska gemener α Termisk diffusivitet [m 2 /s] αc Konvektionskoefficient [W/m 2 K] αlsx Absorptionsfaktor för ett material x, [0 α 1] β Koefficient för termisk expansion [K -1 ] εu Brottförlängning [%] εx Emissivitet för ett material x, [0 ε 1] κ ν Värmekonduktivitet [W/mK] Kinematisk viskositet [m 2 /s] ξ Reflektans [0 ξ 1] ρ Densitet [kg/m 3 ] σ Stefan Boltzmanns konstant [= 5,67x10-8 W/m 2 K 4 ] τ Vinkel mot horisontalplan [rad] τr Transmittans [0 τ 1] Grekiska versaler Δt ΔΘ Φ Θg Θx Tidssteg [s] Temperaturskillnad [ C] Formfaktor Gastemperatur [ C] Yttemperatur hos yta x [ C] vii

10 Romerska gemener b cp fu Bredd [m] Specifik värmekapacitet [J/kgK] Stålets hållfasthet [MPa] g Tyngdaccelerationen [= 9,82 m/s 2 ] h Värmeflöde per areaenhet [W/m 2 ] h net Totalt nettovärmeflöde [W/m 2 ] h net,r Nettovärmeflöde med avseende på strålning [W/m 2 ] h net,c Nettovärmeflöde med avseende på konvektion [W/m 2 ] ksh Reduktionsfaktor för skuggeffekter qr Infallande strålning [W/m 2 ] t tf w Tid [min] Godstjocklek [m] Bredd [m] Romerska versaler A Area [m 2 ] A m/v Sektionsfaktor [-] E Emittans [W/m 2 ] F/A Alternativ sektionsfaktor [-] H L Höjd [m] Luftspaltens tjocklek [m] Nu L Nusselt-tal med avseende på L [-] Pr Prandtl-tal [-] Ra L Rayleighs tal med avseende på L [-] Tx Temperatur vid yta x [ K] V Volym [m 3 ] viii

11 INNEHÅLL Sida 1 INTRODUKTION INLEDNING BAKGRUND SYFTE MÅL FRÅGESTÄLLNINGAR METOD AVGRÄNSNINGAR BRAND BRANDFÖRLOPP KONSTRUKTIONER VID BRAND Träkonstruktioner Betongkonstruktioner Stålkonstruktioner REGELVERK FÖR BRANDSKYDD Klassindelning av byggnad Klassindelning av byggnadsdel VÄRMEFLÖDE KONDUKTION Värmekonduktivitet KONVEKTION Värmeflöde på grund av konvektion Konvektion mellan två parallella ytor STRÅLNING Emissivitet Absorption Värmeflöde på grund av strålning Värmeflödet mellan två parallella ytor BRANDSKYDD AV STÅL DIMENSIONERING Klassificerade produkter Sektionsfaktorn Dimensionerande last vid brand Kritisk temperatur Dimensionering med hjälp av naturligt brandförlopp BRANDSKYDDSMETODER Gips Brandskyddsfärg ix

12 5 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLD VIKTIGA MATERIALEGENSKAPER Specifik värmekapacitet Densitet Emissivitet och absorption UTFORMNING AV OLIKA VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR Aluminiumbelagd rostfri stålplåt Aluminiumplåt Polerad rostfri stålplåt ALUZINC-belagd stålplåt Stålplåt Referenssköld BRANDSKYDDSDIMENSIONERING AV VKR-200X200X ALLMÄNT Gips Brandskyddsfärg Värmestrålningssköld EKONOMISK ANALYS Gips Brandskyddsfärg Värmestrålningssköld SLUTSATS OCH DISKUSSION DISKUSSION Materialegenskaper Utformning Ytskikt Kostnad SLUTSATS FÖRSLAG PÅ FORTSATTA STUDIER...51 REFERENSER BILAGOR x

13 1 INTRODUKTION 1.1 Inledning I det här examensarbetet undersöks värmestrålningssköldar i form av plåtar som brandskydd av stålelement. Fokus har legat på att påvisa en ny fungerande metod med hopp om att i framtiden hitta nya, mer hållbara och effektiva alternativ vid brandskyddsdimensionering. Brandskyddsdimensionering med gips samt brandskyddsfärg har jämförts med resultatet av värmestrålningssköldar. 1.2 Bakgrund I Australien utfördes brandförsök ämnade att undersöka huruvida sprinklersystem, med tillräcklig tillförlitlighet, fungerar som ensamstående brandskyddssystem i flervåningsbyggnader. Det vill säga att fullständigt exponerade stålelement vid brand skall kunna uppnå tillräcklig hållfasthet under en bestämd tid enbart med hjälp av sprinkler som skydd. I försöket placerades även tre obelastade pelare ut för att göra en studie på effekten av simplare värmestrålningssköldar som brandskydd. En pelare avskärmades med förzinkad stålplåt, en med aluminiserad stålplåt och en pelare var helt oskyddad och fungerade som referens. Mätningar från brandförsöket visade att den maximala ståltemperaturen, i de tre olika pelarna, uppmättes till 580 C, 427 C respektive 1064 C. [1] Försöket tyder på att värmestrålningssköldar fungerar som skydd mot stigande temperaturer i stålelement. Däremot finns få vidare studier inom ämnet, vilket har motiverat denna undersökning. 1

14 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT 1.3 Syfte Syftet med detta arbete var att undersöka hur väl värmestrålningssköldar fungerar som brandskydd av stålelement samt att jämföra denna sorts skydd med befintliga brandskyddsmetoder. 1.4 Mål Huvudmålet med arbetet var att med hjälp av teoretiska experiment påvisa att värmestrålningssköldar kan användas som skydd av konstruktionselement av stål. Delmål var att jämföra denna typ av brandskydd mot mer traditionella metoder. 1.5 Frågeställningar De huvudsakliga frågeställningarna löd: - Fungerar värmestrålningssköldar? - Hur bör värmestrålningssköldar vara utformade för att fungera? - Är denna metod ekonomiskt hållbar? 1.6 Metod I första fasen av arbetet genomfördes en grundlig litteraturstudie. Litteraturstudien omfattade såväl teorier angående värmefysik samt branddimensioneringar enligt Eurocode. Även en förståelse kring hur olika konstruktionsmaterial agerar under brand har skapats. Med hjälp av beräkningsverktyget Excel har ett beräkningsprogram framtagits för olika värmestrålningssköldar. Tillämpade teorier kring värmestrålning och värmekonvektion har anpassats med formler i Eurocode. En övergripande kostnadskalkyl av befintliga brandskyddsmetoder har jämförts med en kostnad av en teoretisk värmestrålningsköld. Till sist har en enklare brandsimulering i programvaran PyroSim genomförts. 2

15 1. INTRODUKTION 1.7 Avgränsningar Arbetet avgränsas till brandskydd av stålpelare. Brandskydd av andra stålelement har inte behandlats. Brandskyddsdimensioneringen avgränsas till en schablonmässig kritisk temperatur på 450 C och kommer inte att dimensioneras med ett lastfall. I verkligheten kan kritiska temperaturen variera beroende på utnyttjandegrad. Undersökningen behandlar enbart kravet av bärigheten (R) under ett 30 minuters tidsintervall under brandpåverkan enligt standardbrandkurvan och inte under ett naturligt brandförlopp. Jämförelserna mellan värmestrålningssköld och standardiserade metoder för brandskydd avgränsas till gips och brandskyddsfärg. 3

16 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT 4

17 2 BRAND Om en brand uppstår i en byggnad utan brandskydd kan det innebära förödande konsekvenser. Dels för byggnaden, men framför allt för människor som vistas där. Vid projektering av byggnader måste risker på grund av brand beaktas. Främst för att förhindra personskador vid brand, men också begränsa byggnadens skador. Hur beter sig olika konstruktionsmaterial vid höga temperaturer? Hur vet man vilka brandkrav som ställs på olika byggnader? Detta är några av frågeställningarna som besvaras i detta kapitel. 2.1 Brandförlopp Villkoren för en brands utveckling beror av tre komponenter: värme, syre och brännbart material. Dessa behöver vara tillgängliga samtidigt, det vill säga att minst en av dessa komponenter behöver elimineras vid släckning. Hur en verklig brand utvecklas beror av olika faktorer, exempelvis takhöjden, golvarean, väggtyp eller placering av brinnande föremål. Vid dimensionering används parametriska brandkurvor för olika ändamål. Vanligtvis använder man sig av den så kallade standardbrandkurvan. [2] Figur 2.1 visar hur en naturlig brand beter sig över tid. Förloppet delas in i olika faser, brandens initialskede, övertändning, fullt utvecklad brand samt avsvalningsfas, beroende på brandens intensitet. Övertändningen kan inträffa efter endast ett par minuter, beroende på tillgången av syre, brännbart material samt brandens placering i rummet. Efter övertändningen ses branden som fullt utvecklad och har en temperatur runt 1000 C. När allt brännbart material förbränts påbörjas en avsvalningsfas och temperaturen sjunker. [2] 5

18 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT as Figur Naturlig brand För att simulera ett brandprov krävs hög noggrannhet och det är viktigt att allt är inställt efter de verkliga förutsättningarna. För att underlätta branddimensioneringen ansattes därför en standardbrandkurva enligt Figur 2.2. [3] Figur Standardbrandkurvan enligt ISO-834 [3] 6

19 2. BRAND 2.2 Konstruktioner vid brand Såväl obrännbara som brännbara konstruktionsmaterial påverkas vid höga temperaturer. I detta avsnitt beskrivs skillnaden mellan trä, betong och stål vid höga temperaturer. Faktorer som värmekonduktivitet (hur väl värme leds i materialet) samt specifik värmekapacitet (förmågan att lagra värme) avgör bland annat hur ett material beter sig vid brand. En låg värmekonduktivitet samt hög värmekapacitet är bra ur brandsynpunkt. Tabell 2.1 Värmekonduktivitet och specifik värmekapacitet för vanliga konstruktionsmaterial [4] Material Värmekonduktivitet Specifik värmekapacitet κ [W/m K] cp [J/kg K] Trä 0, Betong 1, Stål Träkonstruktioner Trä är ett brännbart material och byggnadslagstiftningen har tidigare inte tillåtit användning av trä som primärt stommaterial för byggnader över två våningar. Sedan 1990-talet ställer man inte längre krav på vilket specifikt material som ska vara i stommen, så länge stommen utformas och dimensioneras för att uppfylla aktuella brandkrav[5]. Det visar sig också att trä som konstruktionsmaterial med grova tvärsnitt kan uppnå ett betydande brandmotstånd. Då trä brinner förkolnas veden med mycket låg och konstant hastighet, cirka 0,6 mm/min [4]. Ett kolskikt skapas där veden innanför skiktet betraktas som frisk och har sin fulla bärförmåga kvar. Detta beror på att trä har låg värmekonduktivitet samt innehåller relativt mycket vatten vilket ger en hög värmekapacitet. Kolskiktet som bildas vid förbränning har lägre värmekonduktivitet än trä. Kolet fungerar därför som värmeisolering till det opåverkade träet [5]. Vid branddimensionering kan ett reducerat men intakt tvärsnitt som förutsätts ha en oförändrad hållfasthet räknas fram. Utefter detta tvärsnitt dimensioneras pelaren utsatt för brand. 7

20 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Betongkonstruktioner Betong betraktas som obrännbart och brandbeständigheten hos betongkonstruktioner är jämförelsevis god. Detta beror till största del av betongens goda specifika värmekapacitet, det vill säga att det tar längre tid innan temperaturen i betongen når höga värden än i exempelvis stål. En temperaturhöjning i betongen medför en minskning av betongen och armeringens hållfasthet, vilket gradvis leder till en försämring av konstruktionens bärförmåga. [4] En viktig osäkerhetsfaktor kring betongkonstruktioner utsatta för brand är risken för avspjälkning. Det innebär att delar av betongen sprängs av, ofta explosionsartat. Orsaken till detta är till största del att ett inre ångtryck byggs upp i betongen då fukten i betongen förångas. Avspjälkningen kan leda till att armeringen exponeras och därmed får en snabbbare temperaturökning vilket bidrar till en minskning av hållfasthet. Förankringen av armeringen kan också gå förlorad vid avspjälkning. [5] Bland de vanligaste konstruktionsmaterialen betraktas armerad betong som det material som klarar höga temperaturer bäst. Detta beror av betongens goda värmekapacitet som begränsar temperaturstegringen inne i konstruktionen, samtidigt som stålet bibehåller sin höga hållfasthet. [5] Stålkonstruktioner Stål och andra metaller betraktas som obrännbara och effekten av en brand för en stålkonstruktion innebär främst att den förhöjda temperaturen i stålmaterialet reducerar dess hållfasthet och elasticitetsmodul. För att bestämma en stålkonstruktions bärförmåga vid en viss temperatur används sambanden mellan temperatur och sträckgräns, samt temperatur och elasticitetsmodul. [6] Trots att stål betraktas som obrännbart förändras stålets mekaniska egenskaper drastiskt även vid relativt låga temperaturökningar. På grund av stålets höga värmekonduktivitet sker temperaturförändringarna väldigt snabbt. Vid 450 C har stålets hållfasthet reducerats till 70 procent av dess ursprungliga värde och vid ytterligare ökning av temperatur sjunker hållfastheten kraftigt, se Figur 2.3. [5] 8

21 2. BRAND Figur Stålets brottgräns f u, sträckgräns f y och brottförlängning ε u som funktion av temperatur [5]. Den goda värmeledningen gör att värmen enkelt leds till andra utrymmen där brännbart material kan antändas. Den leder också till att de temperaturbetingade rörelserna hos en stålkonstruktion blir stora. Exempelvis kommer en 10 meter lång balk vid uppvärmning 0 C C växa 7 centimeter, vilket är tillräckligt för att åstadkomma stora skador hos intilliggande spröda konstruktioner [4]. Stål är därför ett känsligt konstruktionsmaterial med hänsyn till brand och måste nästan alltid skyddas om krav på bärförmåga vid brand ställs. 9

22 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT 2.3 Regelverk för brandskydd I Sverige är kraven på brandsäkerhet höga och det är viktigt att säkerställa de funktionskrav som gäller för olika byggnader. Boverkets Byggregler (BBR) kapitel 5 omfattar krav för en byggnads brandbeständighet. Våningsantal, vilken verksamhet som bedrivs, mängd brännbart material, planlösning och utrymningsmöjligheter är faktorer som bestämmer vilket brandkrav som ställs på byggnaden. Enligt BBR ska byggnaden utformas med sådant brandskydd att brandsäkerheten blir tillfredsställd. Vid dimensionering ska byggnadens brandskydd projekteras, utformas och verifieras genom förenklad eller analytisk metod. [7] Klassindelning av byggnad För att veta vilka krav som ställs till respektive byggnad delas byggnaden först in i olika verksamhetsklasser. Indelning av verksamhetsklasser beror av: Följande text är hämtat från Boverkets byggregler: [7] - vilken utsträckning personerna har kännedom om byggnaden och dess utrymningsmöjligheter - om personerna till största delen kan utrymma på egen hand - om personerna kan förväntas vara vakna - om förhöjd risk för uppkomst av brand kan förekommer eller där en brand kan få ett mycket snabbt och omfattande förlopp Samma byggnad kan delas in i flera verksamhetsklasser. Verksamhetsklasserna går från 1 till 6 där verksamhetsklass 6 har störst skyddsbehov. Utifrån verksamhetsklass och byggnadens utformning tillges en byggnadsklass: Br0, Br1, Br2, Br3. Detta i sin tur bestämmer vilka brandkrav som gäller för respektive byggnad, där Br0 har störst skyddsbehov. [7] 10

23 2. BRAND Klassindelning av byggnadsdel Utgående från byggnadens klass bestäms kraven på de olika byggnadsdelarna i byggnaden, exempelvis bjälklag och väggar. Det ställs tre olika typer av krav, se Figur 2.4: - Bärförmåga (R), ställer krav på byggnadsdelens bärighet. Byggnadsdelen ska bära de laster den är utsatt för utan att kollapsa. - Integritet (E), ställer krav på genomsläpplighet hos byggnadsdelen med avseende på rök och flammor. - Isolering (I), ställer krav på byggnadsdelens termiska isolering vid brand. Beroende på vilka krav byggnadsdelen ska uppfylla kombineras detta och efterföljs av en siffra (15-360) som anger hur många minuter kravet ska vara uppfyllt. [7] Figur Brandkrav: Bärförmåga, integritet, isolering [8] 11

25 3 VÄRMEFLÖDE Värmeflöde h är den termiska energi som överförs från ett ämne till ett annat och har enheten W eller W/m². Så fort en temperaturskillnad mellan ett eller flera medium uppstår kommer ett flöde av värme mellan dessa att förekomma. Det finns tre olika processer för hur värme transporteras: Transport på grund av konduktion, konvektion och strålning. De som har störst betydelse i denna rapport är värmeflödet på grund av konvektion och strålning. Detta avsnitt beskriver de termiska regler som gäller och de tillämpningar, förenklingar och antaganden som använts i undersökningen. 3.1 Konduktion När en temperaturskillnad i ett eller flera olika medium uppstår kommer ett värmeflöde inom/mellan dessa uppstå då de mer energifyllda partiklarna kolliderar med energifattigare partiklar. Ett energiutbyte kommer då att förekomma och på så vis jämnar temperaturen ut sig då värmen flödar från det varma till det kalla. Detta kallas konduktion och sker utan att materialet rör på sig. För att konduktion ska inträffa mellan två olika element krävs antingen att de ligger i direkt kontakt med varandra alternativt att ett ledande medium finns mellan dem. Mängden värme som överförs mellan material och i vilken takt bestäms av materialens värmekonduktivitet. [9] Värmekonduktivitet Värmekonduktiviteten κ, som mäts i W/m K, hos ett material bestäms av dess förmåga att leda energi i form av värme inom sig och till andra material. Värmekonduktiviteten hos material i gasform är förhållandevis låg i jämförelse med den i fasta eller flytande ämnen. På grund av detta har värmeflödet på grund av konduktion mycket liten betydelse för beräkningar mellan gas och fasta material [9]. Enligt Eurocode 3 [10] kan värmekonduktivitet ses som en positiv effekt med avseende på temperaturökning i stålelement. Om stålelementet är i kontakt med ett byggnadselement av till exempel betong leds värme till 13

26 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT betongen. Byggelement av betong har i regel betydligt större volym än stålelement och högre värmekapacitet och är därmed kallare än stålelementet. Om hänsyn till konduktion tas får stålelementet ett bättre resultat, i form av lägre temperatur. 3.2 Konvektion Konvektion är en rörelse i en gas eller ett flytande material, en fluid. Värmeflöde på grund av konvektion består av två mekanismer, dels av energitransport på grund av slumpmässiga molekylära rörelser (diffusion) men framför allt av makroskopiska rörelser hos en fluid. [9] Temperaturdifferenser mellan fluider och fasta material skapar ett värmeflöde. Exempelvis kan en varm yta värma upp luft och således skapa en lyftkraft i luften vilket tillåter ny kall luft att flöda och värmas upp. Värmeflöde på grund av konvektion kan ske såväl mellan en fast yta till en fluid som en fluid till en fast yta, så länge en skillnad i temperatur råder Värmeflöde på grund av konvektion För att beräkna värmeflöde på grund av konvektion används formeln: [11] h net,c = α c (Θ g Θ m ) (3.1) där αc är koefficienten för värmeöverföring på grund av konvektion. Gastemperatur och temperaturen på konstruktionselementet benämns Θg respektive Θm. Koefficient αc beror av egenskaperna hos fluiden som värme flödar i och dess rörelsemönster. För värmeflöde mellan brandgas och en stålkonstruktion ska denna enligt Eurocode 1 [11] ansättas till 25 W/m K, vilket är det högsta värde αc anses kunna anta vid fri konvektion i luft [9] Konvektion mellan två parallella ytor För att beräkna värmeflödet på grund av konvektion mellan två parallella ytor, enligt Figur 3.1, måste det antas att luften är instängd för att 14

27 3. VÄRMEFLÖDE kunna approximera ett värde på koefficienten αc, som kommer vara temperaturberoende. Figur 3.1 värmeflöde på grund av konvektion (q = h net,c) mellan parallella ytor [9] För att beakta dynamiska effekter krävs mer avancerade beräkningsprogram. För att genomföra statiska beräkningar med förbestämda tidssteg kan tillämpade ekvationer enligt Heat and mass transfer [9] användas. Först avgörs om luften mellan ytorna kommer att strömma laminärt eller turbulent. Rayleighs tal Ra, som är förhållande mellan lyft- och viskositetskraft multiplicerat med förhållandet mellan drivkraft och termisk diffusivitet, bestäms av: Ra L = gβ(θ 1 Θ 2 )L 3 αv (3.2) Ra < 1708 innebär att tröghetsmotståndet i fluiden är stort nog att den inte påverkas av lyftkrafterna på grund av värmeskillnaderna, vilket innebär att konvektion inte uppstår då luften står näst intill stilla i luftspalten. [9] Nusselt-tal Nu, kvoten mellan värmeöverföringen på grund av konvektion och värmeöverföringen på grund av konduktion, bestäms enligt: Nu L = α cl κ (3.3) Nusselt-tal används för att beräkna värmeöverföringskoefficienten på grund av konvektion αc. 15

28 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Om Ra < 1708 sätts Nu = 1. Det leder till att konvektionen i detta fall blir kvoten mellan värmekonduktivitet och bredden på luftspalten enligt: α c = κ L (3.4) Om däremot villkoret 1708 < RaL < är uppfyllt kommer fluiden befinna sig i regelbunden rörelse och konvektionskrafter kommer att uppkomma enligt Figur 3.2. [9] Figur Regelbundet flöde i luftspalt För Ra > avtar regelbundenheten och fluidens rörelse utvecklas till flera olika rörelsemönster, tills den slutligen blir helt turbulent. Enligt Globe och Dropkins korrelation [12] kan ett uttryck för en approximation av Nu vid oregelbunden rörelse i fluiden ställas upp som: Nu L = 0,069Ra L 1/3 Pr 0,074 (3.5) En integration av (3.3) och (3.5) ger konvektionskoefficienten αc enligt: α c = κ 0,069Ra L 1/3 Pr 0,074 L (3.6) 16

29 3. VÄRMEFLÖDE 3.3 Strålning Termisk strålning är energi som emitteras (strålar ut) av materia vid temperaturer över noll Kelvin. Strålningsenergi är den enda formen av värmeöverföring som kan ske utan ett medium att färdas i. Den emitterade strålningen hr från en kropp träffar förr eller senare en annan kropp. Den infallande strålningen qr som träffar ett material kan antingen passera genom materialet (transmittera), absorberas eller reflekteras tillbaka till omgivningen. All infallande strålning måste antingen transmitteras, reflekteras eller absorberas för att den termiska jämnvikten inte ska upphöra, se Figur 3.3. [13] Figur Reflektion, absorption och transmission Därmed kan ett uttryck ställas upp enligt: Vilket betyder: q r = ξ q r + α ls q r + τ r q r (3.7) 1 = ξ + α ls + τ r (3.8) I opaka (ogenomskinliga) material tillåts ingen transmission då ingen strålning tränger igenom materialet, vilket betyder att αls absorberas och 1-αls reflekteras. En opak yta där ingen reflektion förekommer absorberar all infallande strålning. En sådan yta kallas för en svart kropp och används som ett teoretiskt referenstillstånd. [13] 17

30 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Emissivitet Emissiviteten ε är skillnaden mellan ett materials emitterade strålningsenergi och den utstrålade termiska energin av en svart kropp. Den utstrålade termiska energin, emittansen, från en ideal svartkropp bestäms av en produkt av temperaturen och Stefan-Boltzmanns konstant σ = 5,67x10-8 W/m 2 K 4. Samma samband gäller för alla material. Dock kan inget material stråla ut lika mycket energi som en ideal svartkropp, därför införs emissiviteten ε. Detta värde är en faktor mellan ett materials emittans E vid en viss temperatur och en svartkropps emittans Es vid samma temperatur enligt [14]: ε x = E x E s (3.9) Då Es är det maximala värdet gäller 0 < εx < 1. Således minskar ett materials emittans med emissiviteten. Emissiviteten hos fasta material beror av uppbyggnaden, där materialets blankhet spelar störst roll. Blanka material emitterar i regel mindre än matta [9]. Detta kan påvisas enkelt genom att undersöka aluminiumfolie, med sin blanka yta, vid matlagning. Aluminiumfolien emitterar nästintill ingen värme vilket beror på dess låga emissivitet Absorption Absorption är den energi som absorberas av ett material utsatt för strålningsenergi. Kirchhoff formulerade: Ett mörkt föremål absorberar mer energi än ett ljust föremål. För att både det mörka och det ljusa föremålet ska vara i jämvikt krävs det då dock att det mörka också emitterar mer. Det måste ha en större emissionsförmåga. Alltså: ju bättre ett föremål är på att absorbera desto bättre är det också på att emittera strålning. Absorptionsförmåga och emissionsförmåga går hand i hand. [15] Enligt Kirchoffs värmestrålningslag kan absorptansen αls hos opaka material sättas lika med emissiviteten [15]. ε x,λ = α ls,x,λ (3.10) 18

31 3. VÄRMEFLÖDE Som (3.10) antyder beror emissiviteten och absorptansen av både temperatur och våglängd på strålningen. Det är dock en vanlig förenkling att betrakta materialet som en grå kropp och därmed är emissiviteten och absorptansen samma värde oberoende av vilken våglängd strålningen har [14]. ε x = α ls,x (3.11) Värmeflöde på grund av strålning Det utstrålade eller absorberande värmeflödet h bestäms av: h net,r = ε σ T 4 = α ls σ T 4 (3.12) Enligt Eurocode beräknas värmeflödet från brand till ett oskyddat ståltvärsnitt enligt: [11] h net,r = Φ ε m ε f σ [(Θ r + 273) 4 (Θ m + 273) 4 ] (3.13) Formfaktorn Φ sätts normalt till 1, ett lägre värde kan användas om hänsyn till läges- eller skuggeffekter tas. [11] För värmeflödesberäkning mellan eld och en stålkonstruktion kan (3.13) tillämpas för att bestämma flödet av värme på grund av absorption. Emissiviteten hos brandgas kan sättas till 1 och detta värde kan användas för att vara på den säkra sidan. [11] 19

32 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Värmeflödet mellan två parallella ytor Värmeflödet på grund av strålning mellan två parallella ytor h net,r (Figur 3.4), där hänsyn tas till båda materialens egenskaper, bestäms av följande härledning: [16] Figur Strålning mellan parallella ytor Det utstrålande värmeflödet från yta 1 enligt (3.12) kommer att träffa yta 2 där α ls2 h 1 = α ls2 ε 1 σ T 1 4 (3.14) absorberas av ytan. Resterande energi reflekteras tillbaka till yta 1 där α ls2 (1 α ls2 ) h 1 = α ls2 (1 α ls2 ) ε 1 σ T 1 4 (3.15) absorberas av ytan. Resterande energi reflekteras tillbaka till yta 2. Denna process fortsätter till dess att den emitterade strålningsenergin är i det närmaste obefintlig. 20

33 3. VÄRMEFLÖDE Genom att ansätta α ls2 = ε 1 enligt avsnitt och summera all strålning från yta 1 som absorberas i yta 2, erhålls den totala absorberande strålningen i yta 2: ε 1 ε 2 σ T 4 1 (1 + (1 ε 1 )(1 ε 2 ) + (1 ε 1 ) 2 (1 ε 2 ) ) 4 ε 1 ε 2 σ T 1 = (1 (1 ε 1 )(1 ε 2 ) (3.16) För den strålning som absorberas i yta 2 från emission i yta 1 fås den totala nettostrålningen från yta 1 till yta 2 av: h net,r = ε 1 ε 2 σ (T 4 1 T 4 2 ) (1 (1 ε 1 )(1 ε 2 ) (3.17) 21

35 4 BRANDSKYDD AV STÅL 4.1 Dimensionering Bestämmandet av erforderligt brandskydd, för avskiljande och bärande konstruktioner, kan ske via dimensionering med klassificerade produkter eller genom dimensionering med beräkningar. Dimensionering med klassificerade produkter innebär att man använder sig av redan beprövade produkter. Tillverkarna ger ut anvisningar om hur mycket brandskyddsisolering som krävs för att uppnå ställda krav. Dimensioneringen är kopplad till standardbrandkurvan och denna metod är därför enkel och lämplig att använda sig av vid dimensionering av brandskydd av icke avvikande konstruktioner. [6] Standardbrandkurvan enligt ISO-834, se Figur 2.2, är en logaritmisk funktion av tiden t, i minuter: [3] Θ g = log 10 (8t + 1) (4.1) Vid dimensionering baserad på modell av naturligt brandförlopp fastställs ett för omständigheterna naturligt brandförlopp. Detta i sin tur används vid dimensioneringen. [6] Klassificerade produkter Dimensionering med klassificerade produkter baseras på provningar med en brand motsvarande standardbrandkurvan. En verklig brand kan skilja sig betydligt från standardbrandkurvan. Därför är inte brandmotståndstiden helt identisk med den tid konstruktionen faktiskt klarar av, utan ska ses som ett relativt mått på brandmotståndet. Vid tester av brandskydd hos bärande konstruktioner ska konstruktionen klara en föreskriven last under en definierad tid, (R30, R60). För att utföra dimensionering med klassificerade produkter måste vissa ingångsparametrar vara kända: Sektionsfaktor, kritisk temperatur och utnyttjandegrad. För avskiljande byggnadsdelar ställs istället krav på yttemperaturen samt krav på täthet mot brandgaser. [6] 23

36 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Sektionsfaktorn För att använda sig av klassificerade produkter måste det först bestämmas hur exponerad stålprofilen är mot branden, det vill säga profilens form och hur omkringliggande anslutningar ser ut och eventuellt bidrar till en fördröjning av uppvärmning av stålet. Detta mått kallas sektionsfaktorn Am/V med enheten m -1. Am är ett mått på den yta som exponeras mot branden, det vill säga en area. V är volymen av stålet, ju större volym desto mer stål ska värmas upp vilket kräver mer värmeenergi. Följaktligen gäller att ju lägre värde på sektionsfaktorn desto gynnsammare är förhållandet. [6] För ett oskyddat lådtvärsnitt exponerat för brand på alla sidor ges följande formel enligt Eurocode 3: [10] A m V = 2(b + h) tvärsnittsarea H H (4.2) Om t b: A m V 1 (4.3) t f Där tf är godstjockleken för ståltvärsnittet. Alternativt kan även sektionsfaktorn skrivas som F/A, där man helt enkelt förenklat bort höjden H från både Am och V. Sektionsfaktorn kan också kallas profilfaktor. Värden för bestämning av sektionsfaktorn kan lämpligen hämtas ur en tabell för olika pelare. 24

37 4. BRANDSKYDD AV STÅL Dimensionerande last vid brand Brand klassas som en olyckslast. För konstruktioner som är dimensionerade att precis klara kraven för normala laster, är den dimensionerande lasten vid brand ca procent av lasten i brottgränstillståndet [6]. Detta beror på att de variabla lasterna reduceras mer i brandlastfallet än i brottlastfallet. Det anses inte vara troligt att alla laster uppnår sina maxvärden under tiden det brinner [17] Kritisk temperatur Den temperatur stålkonstruktionen har när bärverksdelen är fullt utnyttjad vid brand (utnyttjandegrad) definieras kritisk temperatur. Utnyttjandegraden bestäms som lasteffekten i brandlastfallet dividerat med karakteristisk bärförmåga vid rumstemperatur. Schablonmässigt räknar man med en kritisk temperatur på 450 C [6]. Anledningen till detta är att den dimensionerande lasten vid brand (för en konstruktion som är dimensionerad att precis klara lastkraven) är omkring procent av lasten i brottgränstillstånd. Jämförelsevis med stålets reducering till 70 procent av dess hållfasthet vid 450 C enligt avsnitt anses stålkonstruktionen klara sig. Kritiska temperaturen kan förstås höjas beroende på utnyttjandegrad och vilket krav det ställs på töjning. Figur 4.1 beskriver sambandet mellan kritiska temperatur och utnyttjandegrad. Ett exempel är ifall maximal tillåten töjning sätts till 2 procent och utnyttjandegraden ligger på 60 procent ges en kritisk temperatur på 554 C. [6] Kritiska temperaturmetoden går dock inte att tillämpa i alla fall. Exempelvis vid beaktning av instabilitetsfenomen som knäckning, vippning eller buckling. [10] 25

38 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Figur Sambandet mellan kritisk temperatur och utnyttjandegrad i stål [18] Dimensionering med hjälp av naturligt brandförlopp Dimensionering med hjälp av klassificerade produkter har vissa begränsningar. Exempelvis lokaler som är stora, har stor eller liten brandbelastning eller på annat sätt är avvikande. Detta på grund av att brandförloppet kan skilja sig så pass mycket från standardbrandkurvan. För att bestämma vilken brandpåverkan som råder behövs ett specifikt brandförlopp, ett naturligt brandförlopp. Det naturliga brandförloppet beror av utformning av lokal samt rummets relativa bränslemängd. Detta ger ett mer realistisk brandförlopp än standardbrandkurvan. Eftersom standardbrandkurvan ligger till grund för teorin bakom tillverkarnas tabellerade värden kan dessa inte användas. Detta kräver att brandskyddet dimensioneras genom beräkning. Dimensionering med hjälp av beräkning kan också ge en mer ekonomisk vinning. [6] Den rådande gastemperaturen som omger och påverkar stålkonstruktionen kan utläsas ur det naturliga brandförloppet. Beroende av stålprofilen och dess sektionsfaktor samt eventuell omgivande brandskyddisolering kan temperaturen i stålet beräknas. Därefter jämförs konstruktionens bärförmåga vid maximal ståltemperatur med påverkan av dimensionerande last vid brand. [6] Exempel på dimensioneringsgång för en bärande stomme visas enligt Figur

39 4. BRANDSKYDD AV STÅL Figur 4.2 Exempel på dimensioneringsgång för en bärande stomme [6] 27

40 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT 4.2 Brandskyddsmetoder Brandskyddets främsta syfte är att ge god säkerhet för personer som vistas i byggnaden och ge goda förutsättningar för räddningspersonal som bekämpar branden. Det ska också hindra brandspridning inom byggnaden eller till intilliggande byggnader. Det finns en mängd olika fabrikat och alternativ för att skydda en stålkonstruktion mot brand. Standardlösningar väljs oftast vid branddimensionering beroende på konstruktionsdel. Vanliga typer av brandskydd är att konstruktionen exempelvis byggs in i väggar, eller skyddas av brandtåliga material. Några exempel på brandskydd för stål är fibersilikatskivor, brandskyddsfärg, sprutisolering, stenullsskivor, gipsskivor eller samverkan med betong. I detta avsnitt kommer brandskyddsmetoderna gips och brandskyddsfärg behandlas. [4] Gips Brandskydd med hjälp av gips utförs oftast genom att en bärande konstruktionsdel helt kläs in i ett antal lager gipsskivor, antingen dikt an eller med ett mellanrum. Skivorna är ämnade att skapa en barriär som fördröjer värmeflödet till ett byggnadselement i behov av skydd. Gipsskivor finns i många olika fabrikat med olika egenskaper, men gemensamt för samtliga är att de innehåller vatten bundet i kristaller. Det är detta som ger gipsskivan sina brandresistenta egenskaper, när temperaturen i omgivningen ökar och sprids vidare till skivan kommer först ytskiktet av kartong brinna upp och gipset börja värmas upp. När detta inträffat kommer det bundna vattnet i gipset att värmas upp och börja förångas, vilket är en energikrävande process. Detta innebär att större delen av den termiska energin från den heta brandgasen går åt till att värma upp det bundna vattnet och på så vis fördröjer uppvärmningen av bakomliggande element. Det är först när gipsskivan börjar torka ut och spricka upp som värmen på den icke exponerade sidan av skivan stiger upp över 100 C och tillåter värme att transporteras till bakomliggande elementet i behov av skydd. [4] 28

41 4. BRANDSKYDD AV STÅL Brandskyddsfärg Brandskyddsfärg är en typ av färg, antingen vatten- eller lösningsmedelsbaserad, som vid höga temperaturer sväller upp och skapar ett isolerande skikt. Färgen målas eller sprutas på ett förbehandlat element. För att uppnå högre brandskyddskrav appliceras fler skikt av brandskyddsfärg. Dimensionering görs oftast utefter av tillverkare tillhandahållna tabeller där erforderlig mängd färg anges utefter tvärsnitt och brandkrav. Vid skydd av denna typ är det viktigt att konstruktionen står fritt så att den kraftigt expanderade brandskyddsfärgen har plats att breda ut sig runt elementet. Om inte så fallerar systemet då det är volymen på den svällande brandskyddsfärgen som erbjuder brandisolering. Brandskyddsfärgen kan både appliceras på plats efter montering, men också i fabrik. Applicering i fabrik kräver extra försiktighetsåtgärder vid transport, då det är viktigt att färgskiktet inte skadas. [4] 29

43 5 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLD Brandskydd med värmestrålningssköldar används vanligtvis inte i byggnader. Det är däremot vanligt att använda värmeskydd av denna sort inom andra områden, till exempel i avgassystem [19]. Principen är att använda ett material med en yta som på bästa sätt reflekterar den värmestrålning som skickas mot den. När det gäller värmestrålningssköldar som brandskydd av byggnader finns inte många försök eller rapporter att tillgå. Några få försök med positiva resultat har gjorts i Australien där de genom att skydda en bärande stålpelare med bland annat en tunn sköld av aluminiserad stålplåt erhållit goda resultat. [1] I detta avsnitt beskrivs först de mest betydelsefulla termiska materialegenskaperna. Följt av en djupare redogörelse för dels hur de varierar för olika material vid olika temperaturer, men framför allt vilken betydelse de har för beräkningarna. Slutligen analyseras huruvida värmestrålningsskölden är ett effektivt sätt att skydda stålkonstruktioner och hur det ska genomföras. Här tas även olika alternativ på strålningssköldar upp och det redogörs för hur de tänks fungera. 31

44 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT 5.1 Viktiga materialegenskaper Specifik värmekapacitet Den specifika värmekapaciteten cp hos ett material bestämmer hur stor förmåga materialet har att lagra energi i form av värme. Denna storhet mäts i J/kg K, det vill säga hur många Joule som krävs för att värma ett kilogram en grad Kelvin (eller Celsius). En högre värmekapacitet innebär att mer energi måste tillföras under längre tid för att värma upp materialet. Den specifika värmekapaciteten fungerar som ett mått på termisk tröghet vilket är en gynnsam egenskap med avseende på brandskydd. [9] Stål Den specifika värmekapaciteten hos material förändras i allmänhet beroende på temperatur i materialet. I vanligt konstruktionsstål stiger värmekapaciteten svagt exponentiellt upp till och med 600 C. Vid den temperaturen börjar fasövergångar i stålet att ske och den specifika värmekapaciteten stiger kraftigt, upp till tio gånger högre än värdet vid rumstemperatur, för att sedan avta lika kraftigt ned till dess att fasövergångarna skett, vid 750 C, se Figur 5.1. Därefter avtar värmekapaciteten linjärt fram till och med 900 C där den blir konstant. [10] Enligt Eurocode 3 bör den specifika värmekapaciteten för stål cp beroende av stålets temperatur Θs bestämmas enligt följande: Text hämtad ur Eurocode 3: [10] - För 20 C Θ s < 600 C: c p = , Θ s 1, Θ s 2 + 2, Θ s 3 (5.1) - För 600 C Θ s < 735 C: c p = Θ s (5.2) - För 735 C Θ s < 900 C: c p = Θ s 731 (5.3) - För 900 C Θ s < 1200 C: c p =

45 5. VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLD Figur Stålets specifika värmekapacitet över temperatur [10]. Luft Luftens specifika värmekapacitet är av intresse att undersöka då den behövs för att utföra beräkningar av värmeflöde på grund av konvektion mellan parallella ytor, där en luftspalt förekommer. Variationen på grund av temperatur är inte lika drastisk som hos stål utan den stiger kontinuerligt mellan C enligt [Bilaga E] [9] Densitet Ett materials densitet ρ bestäms av massa per volymenhet kg/m 3. Densiteten spelar stor roll i avseende på uppvärmning av material. Tillsammans med den specifika värmekapaciteten och volymen på tvärsnittet bestämmer densiteten hur mycket energi, under hur lång tid, som måste tillföras för att värma upp materialet. Ett tätare material tar längre tid att värma upp än ett mindre tätt material, givet att storleken är densamma. Densiteten hos material varierar med temperaturen då material i allmänhet utvidgas när de värms upp. Hos stål sjunker densiteten praktiskt taget linjärt vid temperaturökning mellan 20 C och 800 C. Med den linjärt sjunkande densiteten kan alla värden för densiteten fås genom linjär interpolering av värden i Tabell 5.1 [20]. 33

46 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Tabell 5.1 Densitet hos konstruktionsstål [18] [ C] ρ[kg/m³] Densiteten hos luft, som även den sjunker med temperaturen, redovisas i [Bilaga E] Emissivitet och absorption Som redogjort för i avsnitt anses emissiviteten och absorptionen för material vara den samma. Hos vanligt konstruktionsstål bör enligt [21] emissiviteten sättas till 0,7. För beräkningar enligt (3.13) krävs ett värde för emissiviteten hos den omgivande brandgasen. Enligt Eurocode 1 [11] sätts den normalt till 1. På så vis antas brandgasen emittera 100 procent av sin energi till skölden, även fast det i avsnitt beskrivs att detta i praktiken inte är möjligt. Detta har medvetet gjorts för att beräkningarna ska vara på den säkra sidan. 34

47 5. VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLD 5.2 Utformning av olika värmestrålningssköldar Målet med att använda en värmestrålningssköld som brandskydd av ett stålelement är att skydda tvärsnittet med en sköld som reflekterar mer strålning än vad pelaren själv gör. Vid utformning av den teoretiska värmestrålningsskölden är materialegenskaperna hos skölden helt avgörande. Grundförutsättningen är att ha en sköld i ett material med så låg emissivitet som möjligt samtidigt som densiteten samt specifik värmekapaciteten inte bör vara för låga. Materialets smältpunkt är också viktigt då materialet förutsätts stå emot en fullt utvecklad brand. Figur 5.2 visar utformningen av en värmestrålningssköld som skyddar en VKR-profil 200x200x10. Figur 5.2 Tvärsnitt av ett exempel på en värmestrålningssköld för en VKR-profil 200x200 med godstjocklek 10mm. 35

48 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Nedan presenteras föreslagna värmestrålningssköldar utformade i olika material. Sköldarnas materialegenskaper som har betydelse för beräkningar samt antaganden och förenklingar som gjorts redovisas även. De sköldar som kommer behandlas är följande: a) Aluminiumbelagd rostfri stålplåt b) Aluminiumplåt c) Polerad rostfri stålplåt d) ALUZINC-belagd stålplåt e) Stålplåt f) Referenssköld (max emissivitet (R30) VKR200x200 t=10) Värden för emissivitet har hämtats från [22] [23] Aluminiumbelagd rostfri stålplåt En rostfri stålplåt belagd med ett tunt lager aluminium med CVD-teknik (kemisk förångningsdeposition) Parametrar: Densitet: 7860 kg/m³ (Tabell 5.1) Specifik värmekapacitet: 440 J/kg K vid 20 C sen enligt ( ) Emissivitet: ε = 0,02 Fördelar: Eftersom skölden är uppbyggd av till största delen stål har den hög densitet. Det tunna lagret aluminium ger skölden en oerhört låg emissivitet. Nackdelar: Nackdelen är att aluminiums smältpunkt är 660 C vilket betyder att vid stigande temperaturer tappar den sin låga emissivitet. En annan nackdel med denna typ av plåt är att den anses vara dyr. Förenklingar och antaganden: När skölden uppnår temperaturer över 660 C antas aluminiumlagret börja smälta och skölden antas då få en emissivitet som den hos smällt aluminium, 0,15 [24]. Trots att skölden inte består till 100 procent av stål beräknas den ha samma densitet och värmekapacitet som om den vore 36

49 5. VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLD helt gjort av stål. Detta för att aluminiumskiktet är så pass tunt att det inte påverkar dessa egenskaper märkvärt Aluminiumplåt En plåt av rent aluminium Parametrar: Densitet: 2700 kg/m³ Specifik värmekapacitet: 900 J/kg K Emissivitet: ε = 0,02 Fördelar: Har fördelaktig emissivitet. Är relativt billigt. Högre värmekapacitet än stål. Nackdelar: Nackdelen är att aluminiums smältpunkt som nämnt tidigare är 660 C. Aluminium har också en betydligt lägre densitet än stål. Med detta beaktandes anses en sköld av endast aluminium inte som en bra lösning, men har ändå undersökts. Förenklingar och antaganden: När aluminium når 660 C och börjar smälta antas systemet att fallera totalt då skölden inte förväntas vara intakt under en längre tid utan släppa in brandgas i luftspalten Polerad rostfri stålplåt Högpolerad stålplåt Parametrar: Densitet: 7860 kg/m³ (Tabell 5.1) Specifik värmekapacitet: 440 J/kg K vid 20 C sen enligt ( ) Emissivitet: ε = 0,11 37

50 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Fördelar: Har väldigt fördelaktiga materialparametrar. Har hög densitet, specifik värmekapacitet som stål och också en väldigt blank yta vilket leder till en god emissivitet. Har även en smältpunkt på väl över 1000 C. Nackdelar: Stål med låg emissivitet är mycket kostsamt, över 1000 kr/m 2 [23] Förenklingar och antaganden: Antas, bortsett från emissiviteten, fungera precis som konstruktionsstål vid uppvärmning ALUZINC-belagd stålplåt En stålplåt belagd med en legering av 55 procent aluminium, 43,4 procent zink och 1,6 procent silikon [26] Parametrar: Densitet: 7860 kg/m³ (Tabell 5.1) Specifik värmekapacitet: 440 J/kg K vid 20 C sen enligt ( ) Emissivitet: ε = 0,16 Fördelar: Eftersom skölden är uppbyggd till största delen av stål har den hög densitet. Samtidigt som beläggningen ger skölden en låg emissivitet. Finns att få tag på hos svenska leverantörer till ett relativt lågt pris. Nackdelar: Nackdelen är att beläggningens smältpunkt är låg. Zink har en smältpunkt runt 420 C, och aluminium 660 C. Förenklingar och antaganden: Då smältpunkterna hos zink och aluminium är låga förväntas beläggningen smälta vid ca 540 C och emissiviteten förväntas försämras succesivt, men inte drastiskt (Då smält aluminium har en emissivitet på 0,15). Trots att skölden inte består till 100 procent av stål beräknas den ha samma densitet och värmekapacitet som om den vore helt gjort av stål. Detta för att beläggningsskiktet är tillräckligt tunt för att inte påverka dessa egenskaper märkvärt. 38

51 5. VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLD Stålplåt En plåt av konstruktionsstål har även undersökts för att kunna jämföra resultat. Parametrar: Densitet: 7860 kg/m³ (Tabell 5.1) Specifik värmekapacitet: 440 J/kg K vid 20 C sen enligt ( ) Emissivitet: ε = 0,7 Fördelar: Obearbetad stålplåt är billigt i jämförelse med de andra materialen. Nackdelar: Den har en hög emissivitet. Förenklingar och antaganden: Skölden antas bete sig precis som vanliga stålkonstruktioner vid uppvärmning Referenssköld Detta är en försökssköld som tagits fram för att med högsta möjliga emissivitet klara av att skydda pelaren under ett tidsintervall på 30 minuter. Referensskölden antas ha densamma densitet och specifik värmekapacitet som vanligt stål och ha konstant emissivitet under hela brandförloppet Parametrar: Densitet: 7860 kg/m³ (Tabell 5.1) Specifik värmekapacitet: 440 J/kg K vid 20 C sen enligt ( ) Emissivitet: ε = 0,2 39

53 6 BRANDSKYDDSDIMENSIONERING AV VKR- 200x200x Allmänt Här ges ett exempel på en dimensionering av en VKR-profil 200x200 med en godstjocklek tf = 10 millimeter. Den kritiska temperaturen har valts till den schablonmässigt korrekta temperaturen 450 C då inget specifikt lastfall iakttas. En jämförelse kring standardiserade brandskydd (gips och brandskyddsfärg) och metoden med värmestrålningssköldar presenteras Gips Dimensioneringen av brandskydd med gipsskivor har genomförts med hjälp av ett externt program som använder sig av Eurocodes regler för brandskyddsdimensionering av skyddade tvärsnitt. Resultaten redovisade i [Bilaga F] påvisar att en 13 millimeters standardgipsskiva ger en temperatur på 326 C efter 30 minuter brand enligt standardbrandkurvan och därmed ger fullgott skydd (R30) för en pelare med kritisk temperatur 450 C Brandskyddsfärg Vid branddimensionering med hjälp av brandskyddsfärg användes [Protega stålhandboken, hur du beräknar Novatherm 4FR [Bilaga G]]. Det som framtogs var sektionsfaktorn Am/V, godstjockleken samt kritisk ståltemperatur. Brandskyddet ska skydda under 30 minuter (R30). Ur tabellen utläses, för en 4-sidig brandpåverkan med sektionsfaktorn 106 m -1 samt kritisk temperatur på 496 C, 1000 g/m 2. Kritiska temperaturen på 496 C är det lägsta tabellerade värdet varpå detta används och inte 450 C. 41

54 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT Värmestrålningssköld Enligt Eurocode 3 finns ingen allmän metod att skydda stålprofiler med hjälp av en värmestrålningssköld. Det finns däremot ett avsnitt där det beskrivs hur skyddandet av stålkonstruktioner inomhus i ett litet utrymme bör ske. Det beskrivs som följande: Texten är hämtad ur Eurocode 3: [9] (1) Villkoren nedan gäller för följande båda fall: - Bärverksdelar i ett utrymme som har golv ovan och en horisontell värmesköld under, samt - Bärverksdelar i ett utrymme som har vertikala värmesköldar på båda sidor, Förutsatt att det i båda fallen finns ett mellanrum mellan värmeskölden och ståltvärsnittet. Det gäller inte om värmeskölden är i direkt kontakt med ståltvärsnittet. (2) För stål inomhus skyddat av värmesköldar, bör beräkningen av temperaturökningen i stålet ΔΘs baseras på tillämplig metod i eller , med den omgivande gastemperaturen Θg lika med gastemperaturen i utrymmet. (3) Värmesköldens egenskaper och dess funktionssätt bör vara bestämda med en provningsmetod som överensstämmer med ENV eller ENV (4) Temperaturutvecklingen i utrymmet där stålprofilen finns bör bestämmas med tillämplig mätmetod enligt ENV eller ENV I denna del dimensioneras ett tvärsnitt utifrån ovanstående punkter. En pelare omgiven av vertikala värmesköldar undersöks med hjälp av (6.1) med ett brandförlopp enligt standardbrandkurvan. Beräkningarna baseras på dels Eurocodes föreslagna formler, men även på teorin enligt avsnitt 3. Målet är att undersöka hur väl olika föreslagna värmestrålningssköldar skyddar ett ståltvärsnitt. Ståltvärsnittet ska inte uppnå kritisk temperatur (450 C, Avsnitt 4.1.4) under en tidsperiod på 30 minuters brand enligt standardbrandkurvan. Uträkningarna kommer att ske i två steg ((A) och (B)) för givet tidsintervall Δt (s). Enligt [10] bör Δt inte sättas till mindre än 5 sekunder för att erhålla pålitliga resultat. Då skillnaden mellan beräkningarna utförda med 5 sekunders intervall respektive 60 sekunders intervall inte är stora [Bilaga B] har, för tydligheten i redovisningens skull, beräkningarna gjorts med 60 sekunders intervall. 42

55 6. BRANDSKYDDSDIMENSIONERING AV VKR-200x200x10 (A): I första steget beräknas temperaturskillnaden i strålningsskölden ΔΘsköld med formeln för ett oskyddat ståltvärsnitt enligt [10]: ΔΘs = k sh A m /V c p ρ h net Δt (6.1) Korrektionsfaktorn för skuggeffekter Ksh tas inte hänsyn till då tvärsnittets hela yta antas vara helt exponerat. Detta medför även att beräkningarna anses ligga på den säkra sidan. Sektionsfaktorn för värmestrålningsskölden Am/V bestäms enligt avsnitt Den specifika värmekapaciteten cp kommer att variera med tiden på grund av temperaturförändringarna i materialet och erhålls av ( ) för given temperatur. Det totala värmeflödet h net,r med hänsyn till konvektion och strålning fås av: h net = h net,c + h net,r (6.2) Då beräkningarna i denna rapport inte har bestämda förutsättningar beräknas inte värmeförluster på grund av konduktion. Hade däremot stålelementet varit i kontakt med ett betongelement kan de kylande effekterna inräknats och ett bättre resultat erhållits. h net,c bestäms i detta steg med hjälp av (3.1) med gastemperaturen Θg efter gången tid enligt standardbrandkurvan och den ökande yttemperaturen hos skölden Θsköld med utgångstemperatur 20 C. Koefficienten för värmeöverföring på grund av konvektion αc ansätts under hela brandförloppet till 25 W/m K som angivet i avsnitt h net,r fås enligt (3.13) med emissiviteten εsköld och εeld för skölden respektive elden (avsnitt och 5.2). Således fås temperaturändringen i skölden, ΔΘsköld, under gånget tidsintervall som adderas till den tillfälliga temperaturen i skölden Θsköld. På sådant vis kan den slutgiltiga temperaturen efter en utvald tid beräknas genom att addera temperaturskillnaderna, per tidsintervall, till materialets slutgiltiga temperatur. Detta upprepas till dess att önskad sluttid/temperatur är uppnådd. 43

56 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT (B): I andra steget beräknas temperaturen i pelaren genom att tillämpa (6.1) där stålpelarens materialparametrar och sektionsfaktor används. h net är det totala värmeflödet från den varma skölden till pelaren enligt (6.2). h net,c ges av (3.1) där αc ges av (3.6) med variabler och konstanter enligt [Bilaga E] (variablerna interpoleras linjärt med hänsyn till respektive Tmedel där exakta motsvarande värden saknas). Θsköld är temperaturen på skölden och Θpelare är temperaturen på pelaren. h net,r mellan pelaren och skölden fås enligt (3.17) med emissiviteten för sköld och pelare enligt avsnitt respektive 5.2. Enligt samma metod som i (A) fås den slutgiltiga temperaturen i pelaren. En detaljerad beräkningsgång för temperaturökning i sköld e) under en minut finns att tillgå i [Bilaga A] I [Bilaga D respektive C] presenteras diagram och tabeller med resultat av försök med värmestrålningssköldar av olika material och emissivitet. 44

57 6. BRANDSKYDDSDIMENSIONERING AV VKR-200x200x Ekonomisk analys Med dimensioneringen i avsnitt 6.1 har en ekonomisk analys av brandskydd för en VKR 200x200x10-profil utförts med följande resultat. Resultaten presenteras i kvadratmeterpriser och vid jämförelsen mellan materialen tas ingen hänsyn till montering och leveransstorlekar. Priset beräknas för brandkravet R30. Ytan som ska täckas är 2,4 m Gips Gyproc standardgips kostar enligt Beijer bygg 33,9 kr/m 2 [Bilaga F] 33,9 x 2,4 = 81,36 kr/pelare Brandskyddsfärg 12,5kg Novatherm 4FR kostar 462 kr [Bilaga G] 462/12,5 = 37 kr/kg Erforderlig mängd färg är 1kg/m 2. Totalt 2.4 kg färg krävs. 37 x 2,4 = 88,9 kr/pelare Det har noterats att detta pris kan anses vara missvisande då det krävs mycket arbete och tid vid utförandet av denna sorts brandskydd jämtemot de övriga undersökta brandskyddssystemen. Kvadratmeterpriset kan uppgå till 310 kronor om hänsyn till arbete och tid tas [27] Värmestrålningssköld Strålningssköld d) med Aluzinc-belagd stålplåt kostar enligt Tibnor [28] 14,70 kr/kg. En 2500x1250x1 millimeters plåt väger 25 kg och är 3,125 m 2 stor. 14,70 x 25 = 367,5 kr per plåt. 367,5/3,125 = 117,6 kr/m 2 117,6 x 2,4 m 2 = 282,24 kr/pelare 45

59 7 SLUTSATS OCH DISKUSSION 7.1 Diskussion Materialegenskaper Ett problem som försvårat arbetet avsevärt är det faktum att det inte finns material eller produkter tillverkade enbart för ändamålet att brandskydda stålelement. Det finns i dagsläget ett väldigt begränsat sortiment av ytbelagda stålplåtar med goda strålningsegenskaper, dessutom är deras huvudsakliga syfte att skydda mot korrosion och värme vid lägre temperaturer än vid brand. Hos de fåtal produkter som förekommer på marknaden finns sällan detaljerade beskrivningar, där framför allt materialegenskaper redogörs, att tillgå. Detta har lett till att många antaganden och förenklingar har gjorts. Detta skapar en viss osäkerhet vid de teoretiska försöken. Ett material/produkt, med tydlig data för de termofysiska egenskaperna, skulle behövas för att utföra försöken med större vetenskaplig säkerhet. En produkt specifikt framtagen för ändamålet skulle först och främst behöva ha en hög densitet och god emissivitet för att ha ett bra utgångsläge. Den viktigaste egenskapen ur rent brandskyddsteknisk synvinkel anses dock vara förmågan att behålla dessa egenskaper även vid hög temperatur. De material som används i försöken i denna rapport börjar att tappa sina fördelaktiga egenskaper redan vid temperaturer runt 500 C, vilket är lågt i dessa sammanhang. För att framgångsrikt skydda mot brand anses ytbehandlingen behöva vara intakt fram till minst 800 C Utformning I avsnitt 6.2 görs en teoretisk kostnadskalkyl mellan metoderna gips, brandskyddsfärg och en värmestrålningssköld. Kostnadskalkylen visar att värmestrålningsskölden är klart dyrare i materialkostnader. Däremot tar inte kostnadskalkylen hänsyn till kostnader i form av arbetstid vid montering. Denna punkt bör undersökas för att göra en mer rättvis kostnadskalkyl. Hur monteringen av värmestrålningssköldar ska gå till har diskuterats. Ett exempel är att ha färdiga moduler från fabrik, dessa moduler ska se 47

60 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT precis likadana ut (en L-form). Två L-moduler låses sedan ihop runt en pelare med en låsfunktion. Sedan skruvas modulerna fast i golv och tak för att hålla skölden på plats. Det är viktigt att dessa moduler inte väger för mycket med tanke på arbetsmiljön, uppskattningsvis borde inte dessa moduler överstiga 10 kg för en pelare med 3 meter i höjd. Det behöver också undersökas ifall värmestrålningssköldarna går att utformas på ett mer optimerat sätt. Kanske skulle ett tunt isoleringsskikt på insidan kunna optimera värmestrålningssköldarna. Då skulle inte samma krav behöva ställas på sköldarnas densitet och värmekapacitet. Med en sådan utformning borde krav på bärighet över 30 minuter kunna uppfyllas utan att överdriva materialkostnaderna Ytskikt En viktig faktor för värmestrålningssköldarna är dess ytskikt. För att värmestrålningsskölden ska fungera som tänkt, att till största del motverka värmeflödet på grund av strålning, behöver ytskiktet ha en blank yta. Det går alltså inte att måla värmestrålningssköldarna i valfri färg om så önskas. Däremot anses det spegelblanka ytskiktet estetiskt tilltalande som det är, i annat fall får andra brandskyddsmetoder användas. Ett stort problem som inte tagits hänsyn till i rapporten är effekten av sotning vid brand. Hur sotet påverkar värmestrålningssköldens blankhet och hur detta ska tas hänsyn till rent beräkningsmässigt är svårt att förutse då detta varierar mycket från fall till fall, beroende på exempelvis andelen brännbart material. Detta borde istället undersökas närmare vid verkliga brandförsök. Undersökningarna är av stor vikt då detta är en risk som kan förstöra hela värmestrålningssköldens verkningssätt. Däremot anses värmestrålningsskölden uppfylla delar av sin funktion ändå då insidan av skölden inte påverkas på samma sätt av sot och på så vis fortfarande emitterar låg energi mot pelaren Kostnad Att kostnaderna för värmestrålningssköldar är för hög gentemot brandskyddsmetoderna gips och brandskyddsfärg framgår tydligt av avsnitt 6.2. För att åstadkomma en mer rättvis bild kring kostnadskalkylen behövs hänsyn till fler kostnadsaspekter tas. Några av kostnadsaspekterna 48

61 7. SLUTSATS OCH DISKUSSION är optimering av plåt, monteringskostnader, efterbearbetningskostnader och hur återanvändbart brandskyddet är. Som nämnt tidigare är de plåtar som finns tillgängliga inte helt optimerade för användningsområdet brandskydd, plåtarna innehar därför en del onödiga materialparametrar. Ifall en optimerad plåt tas fram för endast dessa ändamål finns det möjligheter att minska kostnaderna för plåtarna. Detta kan förstås också ge en negativ effekt då användningsområdena för plåtarna också minskas. Ifall en effektiv konstruktionslösning för sköldarna tas fram kan det bli mer ekonomiskt hållbart vid montering av dessa element då de förväntas kunna levereras i större prefabricerade moduler som snabbt kan monteras. Det vill säga att inget behöver skäras till på plats. Detta eliminerar också spill, vilket besparar både ekonomin och miljön. En annan viktig ekonomisk aspekt för värmestrålningssköldar gentemot gips och brandskyddsfärg är att ingen efterbearbetning krävs. Efter att ha monterat upp sköldarna så är det klart. Brandskydd av gips behöver en viss efterbearbetning vad gäller spackling och målning. Ifall brandskyddsfärgen inte appliceras i fabrik (vilket är riskabelt med tanke på möjliga skador vid transportering) behöver pelaren målas på plats. Detta är också en process som kan vara påfrestande arbetsmiljömässigt. Det kan också skapa problem att arbeta med övriga moment i närheten av pelaren under tiden den målas. Färgen behöver som tidigare nämnt målas i flera omgångar och torka vilket i slutändan kostar pengar. En stor ekonomisk vinning av värmestrålningssköldarna är att det går att återanvända, förutsatt att de inte blivit påverkade av brand eller skadade på annat sätt. Vid exempelvis rivningsarbeten anses det gå att återanvända sköldarna bara genom att skruva loss dom och montera upp någon annanstans (förutsatt att pelar-dimensionen är densamma) utan att behöva gå via en återvinningscentral och på nytt tillverkas. Detta är inte bara bra ur kostnadssynpunkt utan också bra ur miljösynpunkt. Med tanke på att sköldar går att återvinna anser vi att detta alternativ är ett mer miljövänligt alternativ än både gips och brandskyddsfärg. Trots att tillverkningen av plåtar har en viss negativ miljöpåverkan. 49

62 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT 7.2 Slutsats Utifrån mål och syfte får arbetet anses vara delvis lyckat. Ett nytt sätt att brandskydda stålelement har tagits fram och teoretiskt bevisats fungera. Som avgränsningarna förklarade utfördes endast tester för ett pelartvärsnitt med krav på bärighet i 30 minuter (R30). Trots att längre tidsintervall än 30 minuter hade varit att föredra, får ändå resultaten anses som positiva. Vad gäller utformning av brandskyddet har rapporten fortfarande en del att önska, den tar i princip bara upp tjocklek på skölden och luftspalten. Ingen tanke har lagts på hur den tänks monteras och hur det kan komma att påverka både materialkostnader och huruvida det förenklar eller försvårar arbetet på plats. Resultatet enligt [Bilaga C s.c.6] visar att en sköld med densitet som stål, specifik värmekapacitet enligt ( ), tjocklek på 1 millimeter, luftspalt på 20 millimeter och en emissivitet på 0,2 genom hela brandförloppet klarar att skydda en VKR 200x200x10-profil i 30 minuter vid brand enligt standardbrandkurvan. De erhållna resultaten i denna rapport kan jämföras med försöken i Australien som beskrevs i avsnitt 1.2 där temperaturen hos pelarna, skyddad med enkla värmestrålningssköldar, var så låg som 427 C. Dock är för många faktorer, så som tidsintervall och brandens intensitet, okända för att kunna göra ordentliga jämförelser och dra slutsatser kring detta. 50

63 7. SLUTSATS OCH DISKUSSION 7.3 Förslag på fortsatta studier I detta avsnitt anges förslag på fortsatta studier som har potential att komplettera denna undersökning. Även då denna metod av brandskydd anses fungera i teorin så skulle praktiska experiment ge ett mer verkligt resultat. Då teorierna bygger på antagande och förenklingar måste de testas för att se hur de förhåller sig i praktiken. Osäkerhetsfaktorerna som skulle kunna elimineras i ett praktiskt brandförsök är framför allt frågan om hur sotning påverkar emissiviteten hos materialen, men även hur de olika föreslagna sköldarna reagerar på värme och vad som händer med ytskiktet på vissa sköldar när smältpunkten är nådd. Ett praktiskt brandförsök skulle även kunna verifiera antaganden överlag i värmeflödesberäkningarna. Även teoretiska försök i form av dynamiska simuleringar skulle kunna verifiera de statiska beräkningar utförda i denna rapport där framförallt antaganden hur luften i luftspalten påverkas av branden och hur väl den sprider värme mellan tvärsnitteten. Även hur skölden kan tänkas påverkas av skador såsom hål kan undersökas med hjälp av beräkningar. I arbetet har försök till brandsimuleringar gjorts, men dessa har valts att exkluderas från rapporten då brist på tid och kunskap ledde till att resultaten inte kunnat tolkas på ett tillförlitligt vis. Simuleringarna utfördes i PyroSim, vilket visade sig inte vara helt optimalt för dessa typer av beräkningar. En annan viktig aspekt värd att studera djupare är utformningen av skölden. En produkt framtagen för ändamålet har möjligheten att förbättra resultaten. Även en metod för effektiv montering och infästning behöver tas fram för att öka de eventuella ekonomiska och arbetsmiljömässiga fördelarna med ett brandskydd av detta slag. Slutligen kan en utredning om i vilka sorts lokaler denna sköld kan tänkas vara mest lämpad för att vara nyttig. 51

65 REFERENSER [1] Karlström, P. Flervåningsbyggnader med stålstomme, Egenskaper vid brand. Stålbyggnadsinstitutet. Stockholm: Publikation 171; 2002 [2] Jönsson, R. Frantzich, H. Bengtson, S. Brandskyddshandboken ISSN Lund; 2005 [3] SS-EN , Fire Resistance Tests, General Requirements, European committee for standardization. Bryssel; 1999 [4] Bjurström, P.G. Byggnadsmaterial: uppbyggnad, tillverkning och egenskaper. Lund: Studentlitteratur; 2006 [5] Mårtensson, A. Thelandersson, S. Byggkonstruktion. Lund: Studentlitteratur; 2005 [6] Stålbyggnadsinstitutet. Stålbyggnad. Stockholm: Publikation 130; 2008 [7] BFS 2011:6 BBR 18, Boverkets byggregler föreskrifter och allmänna råd. Boverket; 2015 [8] Svenskt trä: Träguiden: Brandklasser för material och konstruktioner Page.aspx?id=8047 Hämtad [9] Incropera, F.P. Dewitt, D.P. Bergman, T.L. Lavine, A.S. Principles of HEAT and MASS TRANSFER. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd: SEVENTH EDITION; 2013 [10] SS-EN: , Eurocode 3: Dimensionering av stålkonstruktioner - del 1-2: Brandteknisk dimensionering, Stockholm: SIS Förlag AB; 2005 [11] SS-EN: , Eurocode 1: Laster på bärverk Del 1-2: Allmäna laster Termisk och mekanisk verkan av brand, Stockholm: SIS Förlag AB;

66 VÄRMESTRÅLNINGSSKÖLDAR SOM BRANDSYDD AV STÅLELEMENT [12] Globe, S. Dropkin, J. Heat Transfer; 1969 [13] Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet: TKP4100 Strömning och värmetransport: Lektion 9: Värmetransport. Hämtad [14] Massachusetts Institute of Technology: Thermodynamics and Propulsion: Prof. Z. S. Spakovszky: 19.2 Kirchhoff's Law and Real Bodies'' Hämtad [15] Meteorologiska institutionen, Stockholms Universitet: Föreläsning 1: Vädrets makter Hämtad [16] Sandin, K. VÄRME OCH FUKT. Lunds tekniska högskola, Institutionen för byggnadsfysik, Byggnadsfysik: Lund; 1996 [17] SS-EN 1990, Eurokod - Grundläggande dimensioneringsregler för bärverk, Stockholm: SIS Förlag AB; [18] Isover - Brandisolering av stålkonstruktioner Hämtad [19] Atlas steel Applications for heat- and corrosion resistant steel Hämtad [20] Sundberg, Y. Värmeledning i fast medium: med tillämpning speciellt inom elektrovärmetekniken. ABB. Västerås: 2006 [21] Vassart, O. Zhao, B. MEMBRANE ACTION OF COMPOSITE STRUCTURES IN CASE OF FIRE. Technical Committee 3 Fire Safety. ECCS: N o 132;

67 REFERENSER [22] Electro Optical Industries: Emissivity of materials Hämtad [23] Omega: Table of Total Emissivity Hämtad [24] Totten, G. E. MacKenzie, D. S. HANDBOOK of ALUMINUM: Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes. [25] Damstahl: Hela prislistan oktober Hämtad [26] SSAB: Swedish Steel Ltd.: ALUZINC: Metal Component Design Hämtad [27] Wikells sektionsfakta-nyb 12/13, Wikells byggberäkningar AB; 2012 [28] Tibnor webbshop: DX51D + AZ Hämtad

69 BILAGOR Bilaga A Beräkningsgång sköld f). 5 minuter till 6 minuter Bilaga B Jämförelse Δt = 5 sek och Δt = 60 sek Bilaga C Resultat för olika värmestrålningssköldar Bilaga D Diagram för de olika resultaten Bilaga E Tabell över de termofysiska egenskaperna hos luft Bilaga F Brandskydd av gips Bilaga G Brandskydd av brandskyddsfärg 57

70

71 BILAGA A s.a1-a5 Beräkningsgång sköld f). 5 minuter till 6 minuter Tidsintervallet är slumpmässigt utvalt och beräkningsgången kan användas för samtliga tidsintervall. t Steg (1) Sökt: Temperatur i värmestrålningsskölden Θsköld efter 6 minuter med kända värden vid 5 minuter. INDATA: A m/v sköld 1000 m -1 [Vilket motsvarar en 1mm tjock sköld] ε eld 1 - ε sköld 0,2 - α c,eld 25 W/m 2 K φ 1 - K sh 1 - Θ eld(5min) 576 C Θ sköld(5min) 489 C σ 5, W/m 2 K 4 ΔΔΔΔ ssssöllll = kk ssh AA mm /VV ssssöllll cc pp,ssssöllll ρρ ssssöllll h nnnnnn,ssssöllll ΔΔtt Temperatur på brandgasen efter 6 minuters brand enligt standardbrandkurvan fås enligt: ΔΔ gg = llllgg 10 (8tt + 1) ΔΔ gg = llllgg 10 ( ) ΔΔ gg = 576 CC Specifik värmekapacitet för stål <600 C fås enligt: cc pp = , ΔΔ ss 1, ΔΔ 2 ss + 2, ΔΔ ss cc pp 489 = , , , cc pp 489 = 658 JJ/kkgg KK A.1

72 Densitet för stål vid 489 C: Värmeflödet fås av: ρρ ss = ρρ 20 + ΔΔ ss (ρρ 800 ρρ 20 ) 469 ρρ 489 = ( ) 780 ρρ 489 = 7710 kkgg/mm³ h nnnnnn = h nnnnnn,cc + h nnnnnn,rr Där: h nnnnnn,cc = αα cc,nnllll (ΔΔ gg ΔΔ mm ) h nnnnnn,cc = 25 ( ) h nnnnnn,cc = 2192 WW/mm² Och: h nnnntt,rr = ΦΦ εε mm εε ff σσ [ ΔΔ gg (ΔΔ mm + 273) 4 ] hnnnntt,rr = 1 0,2 1 5, [( ) 4 ( ) 4 ] h nnnntt,rr = 2085 WW/mm² h nnnnnn = h nnnnnn = 4277 WW/mm² Den totala temperaturskillnaden blir: ΔΔΔΔ ssssöllll = ΔΔΔΔ ssssöllll = 51 CC Temperaturen i skölden efter 6 minuter fås av: ΔΔ ssssöllll,6mmmmnn = ΔΔ ssssöllll,5mmmmnn + ΔΔΔΔ ssssöllll ΔΔ ssssöllll,6mmmmnn = ΔΔ ssssöllll,6mmmmnn = 540 CC A.2

73 Steg (2) Sökt: Temperaturen i pelaren Θpelare efter 6 minuter med kända värden från steg (1) INDATA: A m/v pelare 100 m -1 pelare] [Vilket motsvarar en 10mm tjock Θ sköld(5min) 489 (762) C (K) Interpolerade värden från Bilaga E Θ pelare(5min) 35 (308) C (K) ν 0, m 2 /s ε sköld 0,2 - κ 0, W/m K ε pelare 0,7 - α 0, m 2 /s φ 1 - Pr 0, [-] K sh 1 - β 0, K -1 Grundformeln för temperaturökning i ståltvärsnitt: ΔΔΔΔ ppnnllpprrnn = kk ssh AA mm /VV ppnnllpprrnn cc pp,ppnnllpprrnn ρρ ppnnllpprrnn h nnnnnn,ppnnllpprrnn ΔΔtt Specifik värmekapacitet för stål <600 C fås enligt: cc pp = , ΔΔ ss 1, ΔΔ ss 2 + 2, ΔΔ ss 3 cc pp 35 = , , , Densitet för stål vid 35 C: Det totala värmeflödet fås av: cc pp 35 = 450 JJ/kkgg KK ρρ ppnnllpprrnn = ρρ 20 + ΔΔ ss (ρρ 800 ρρ 20 ) 15 ρρ 35 = ( ) 780 ρρ 35 = 7855 kkgg/mm³ h nnnnnn = h nnnnnn,cc + h nnnnnn,rr Där värmeflöde på grund av konvektion fås av: h nnnnnn,cc = αα cc (ΔΔ sskköllll ΔΔ ppnnllpprrnn ) A.3

74 Bestämning av turbulent eller laminär luftströmning i luftspalt: RRaa LL = RRaa LL = ggββ ΔΔ ssssöllll ΔΔ ppnnllpprrnn LL 3 ααvv 9,82 0, (489 35) 0,023 0, , RRaa LL = RRaa LL Vilket betyder oregelbunden och turbulent strömning. Gäller. αα cc = κκ 0,069RRaa LL 1/3 PPrr 0,074 LL αα cc = 0,00, , /3 0, ,074 0,02 αα cc = 5,274 WW/mm² KK h nnnnnn,cc = 5,274 (489 35) h nnnnnn,cc = 2393 WW/mm² Värmeflöde på grund av strålning få av: h nnnntt,rr = h nnnntt,rr = εε sskköllll εε ppnnllaarrnn σσ (TT sskköllll 4 TT ppnnllaarrnn 4 ) (1 (1 εε sskköllll ) 1 εε ppnnllaarrnn ) 0,2 0,7 5, ( ) (1 (1 0,2) (1 0,7) Det totala värmeflödet blir: h nnnntt,rr = 3422 WW/mm² h nnnnnn = A.4

75 h nnnnnn = 5816 WW/mm² Den totala temperaturskillnaden blir: ΔΔΔΔ ppnnllpprrnn = ΔΔΔΔ ppnnllpprrnn = 10 CC Temperaturen i pelaren efter 6 minuter fås av: ΔΔ ppnnllpprrnn,6mmmmnn = ΔΔ ppnnllpprrnn,5mmmmnn + ΔΔΔΔ ppnnllpprrnn ΔΔ ppnnllpprrnn,6mmmmnn = ΔΔ ppnnllpprrnn,6mmmmnn = 45 CC A.5

76

77 JÄMFÖRELSE, Δt = 5 sek [ε = 0,2 & αc ansatt till 5 W/m 2 K under hela brandförloppet] Tid temperatur tabell HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE Specifik Temp, Densitet/temp stål värmekapacitet skillnad [60s] Värmesköld, Aluminiserad stålplåt Pelare, VKR 100x100 [kg/m³] [J/kg K] [ C] [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare 27, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , OK BILAGA B s.b1-b2 Jämförelse Δt = 5 sek och Δt = 60 sek B.1

78 B.2 JÄMFÖRELSE, Δt = 60 sek [ε = 0,2 & αc ansatt till 5 W/m2K under hela brandförloppet] Tid temperatur tabell HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE Specifik Temp, Densitet/temp stål värmekapacitet skillnad [60s] Värmesköld, Aluminiserad stålplåt Pelare, VKR 100x100 [kg/m³] [J/kg K] [ C] [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare OK

79 a) ALUMINIUMBELAGD ROSTFRI STÅLPLÅT Tid temperatur tabell Densitet/temp stål Specifik värmekapacitet [kg/m³] [J/kg K] Temp, HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE skillnad [60s] Värmesköld, Aluminium på stålplåt Pelare, VKR 100x100 [ C] [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare OK BILAGA C s.c1-c6 Resultat för olika värmestrålningssköldar C.1

80 C.2 b) ALUMINIUMPLÅT Tid temperatur tabell Specifik Temp, Densitet/temp stål värmekapacitet skillnad [60s] [kg/m³] [J/kg K] [ C] HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE Värmesköld, Aluminiumplåt Pelare, VKR 100x100 [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare INTE OK

81 C.3 c) POLERAD ROSTFRI STÅLPLÅT Tid temperatur tabell Densitet/temp stål [kg/m³] Specifik värmekapacitet [J/kg K] Temp, HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE skillnad [60s] Värmesköld, Polerad stålplåt Pelare, VKR 100x100 [ C] [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare OK

82 C.4 d) ALUZINC BELAGD STÅLPLÅT Tid temperatur tabell HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE Specifik Temp, Densitet/temp stål värmekapacitet skillnad [60s] Värmesköld, Aluzink stålplåt Pelare, VKR 100x100 [kg/m³] [J/kg K] [ C] [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare OK

83 C.5 e) STÅLPLÅT Tid temperatur tabell Densitet/temp stål Specifik värmekapacitet [kg/m³] [J/kg K] Temp, skillnad [60s] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare [ C] HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE Värmesköld, Stålplåt Pelare, VKR 100x100 [W/m²] [W/m²] INTE OK

84 C.6 f) REFERENSSKÖLD Tid temperatur tabell Densitet/temp stål [kg/m³] Specifik värmekapacitet Temp, skillnad [60s] HEAT FLUX / VÄRMEFLÖDE Värmesköld, Aluminiserad stålplåt Pelare, VKR 100x100 [J/kg K] [ C] [W/m²] [W/m²] Tid [min] Temp luft [ C] Temp sköld [ C] Temp pelare [ C] ρ sköld ρ pelare c sköld c pelare Δθ sköld Δθ pelare h net,tot,sköld h net,c,sköld h net,r,sköld h net,tot,pelare h net,c,pelare h net,r,pelare OK

85 BILAGA D s.d1-d3 Diagram för de olika resultaten 900 a) Aluminiumbelagd rostfri stålplåt Temperatur [ C] Standardbrandkurvan Temp. sköld Temp. pelare Kritisk temperatur Tid [min] 900 b) Aluminiumplåt Temperatur [ C] Standardbrandkurvan Temp. sköld Temp. pelare Kritisk temperatur Tid [min] D.1

86 c) Polerad rostfri stålplåt Temperatur [ C] Standardbrandkurvan Temp. sköld Temp. pelare Kritisk temperatur Tid [min] d) ALUZINC-belagd stålplåt Temperatur [ C] Standardbrandkurvan Temp. sköld Temp. pelare Kritisk temperatur Tid [min] D.2

87 e) Stålplåt Temperatur [ C] Standardbrandkurvan Temp. sköld Temp. pelare Kritisk temperatur Tid [min] f) Referenssköld Temperatur [ C] Standardbrandkurvan Temp. sköld Temp. pelare Kritisk temperatur Tid [min] D.3

88

89 BILAGA E s.e1 Tabell över de termofysiska egenskaperna hos luft Temperatur Tabell - Termofysiska egenskaper hos luft Densitet Specifik värmekapacitet Dynamisk viskositet Kinematisk viskositet Värmekonduktivitet Termisk diffusivitet T T ρ c p μ ν κ α Pr Celsius Kelvin Kg/m 3 J/kg K Pa s m 2 /s W/m K m 2 /s ,39 1,006 0, , ,022 0, , ,16 1,007 0, , ,026 0, , ,00 1,009 0, , ,030 0, , ,87 1,014 0, , ,034 0, , ,77 1,021 0, , ,037 0, , ,70 1,030 0, , ,041 0, , ,63 1,040 0, , ,044 0, , ,58 1,051 0, , ,047 0, , ,54 1,063 0, , ,050 0, , ,50 1,075 0, , ,052 0, , ,46 1,087 0, , ,055 0, , ,44 1,099 0, , ,057 0, , ,41 1,110 0, , ,060 0, , ,39 1,121 0, , ,062 0, , ,37 1,131 0, , ,064 0, , ,35 1,141 0, , ,067 0, , ,32 1,159 0, , ,072 0, , ,29 1,175 0, , ,076 0, ,728 E.1

90

91 BILAGA F Brandskydd av gips s. F1-F3 Stålets bärförmåga under brand enl. SS EN 1991, SS EN 1993 m.fl. STÅL Projekt Konstruktör Byggdel Datum INDATA BRAND Typ av brandpåverkan Brandexponering Ståltemperatur 326 C STATIK Upplagsförhållanden Ändmoment stöd A 0,00 knm A Fritt upplagd L B Ändmoment stöd B 0,00 knm Längd 4,00 m LASTER Dimensionerande axialkraft 0,00 kn Dimensionerande moment 0,00 knm TVÄRSNITT Typ av tvärsnitt Dimension Stålsort RESULTAT Tvärsnittsklass 1 Utnyttjandegrad 0,00 Kritisk temperatur Beräkningsblad skapat av Samir El Mourabit via Teknikorganisationen Stål version F.1

92 STANDARDBRANDKURVAN INDATA Brandmotståndskrav BRANDSKYDDSISOLERING Typ Tjocklek Densitet Värmekapacitet Värmekonduktivitet 13,00 mm 800,00 kg/m³ 1 700,00 J/kgK 0,20 W/mK TEMPERATUR TIDFÖRLOPP 1000 C Ståltemperatur Standardbrandkurvan 800 C 600 C 400 C 200 C Tid [min] F.2

93 F.3

94

95 BILAGA G s.g1-g2 Brandskydd av brandskyddsfärg PRISLISTA FEBRUARI 2006 SID 70 GRUPP 8010 FLIK 8 ART. NR DIM/TYP ENHET PRIS GPG BRANDSKYDDSMASSA GPG101 GPG MASSA 22KG/SÄCK ST 790,00 kr GPG102 GPG MASSA 5 LITER ST 490,00 kr GPG103 GPG PLATTOR 600 X 800 X 40 ST 790,00 kr GPG104 GPG PLATTOR 600 X 100 X 40 ST 154,00 kr BRANDSKYDDSFÄRGER GPG210 GPG BRANDFÄRG NOVATHERM 1FR 12,5KG/HINK KG 466,00 kr GPG211 GPG BRANDFÄRG NOVATHERM 2FR 12,5KG/HINK KG 412,00 kr GPG212 GPG BRANDFÄRG NOVATHERM 2FR-E 12,5KG/HINK KG 438,00 kr GPG213 GPG BRANDFÄRG NOVATHERM 2FR-E 1KG/HINK KG 500,00 kr GPG214 GPG BRANDFÄRG NOVATHERM 4FR 12,5KG/HINK KG 462,00 kr GPG215 GPG BRANDFÄRG ECOMASTIC 5FR 12,5KG/HINK KG 466,00 kr GPG216 GPG BRANDFÄRG ECOMASTIC 5FR 1KG/HINK KG 472,00 kr ÖVRIGA FÄRGER GPG31010GPG TÄCKFÄRG 300D VIT GL.7 10LIT/HINK LIT 366,00 kr GPG3105 GPG TÄCKFÄRG 300D VIT GL.7 5LIT/HINK LIT 366,00 kr GPG31105GPG TÄCKFÄRG 300D VIT GL.20 5LIT/HINK LIT 366,00 kr GPG31110GPG TÄCKFÄRG 300D VIT GL.20 10LIT/HINK LIT 366,00 kr GPG312 GPG TÄCKFÄRG 84D VIT GL.7 5.LIT/HINK LIT 406,00 kr GPG313 GPG TÄCKFÄRG 84D VIT GL.20 5.LIT/HINK LIT 406,00 kr GPG314 GPG KLARLACK 84F GL.7 5LIT/HINK LIT 406,00 kr GPG315 GPG KLARLACK 84F GL.20 5LIT/HINK LIT 406,00 kr GPG316 GPG KLARLACK 84HW GL.7 5LIT/HINK LIT 538,00 kr GPG317 GPG KLARLACK 84HW GL.20 5LIT/HINK LIT 538,00 kr GPG318 GPG HENSOGRUND 40 LJUSGRÅ 10 LIT/HINK LIT 244,00 kr GPG319 GPG HENSOGRUND 40 OXIDRÖD 10 LIT/HINK LIT 244,00 kr SPACKEL GPG410 GPG SPACKEL NOVATHERM 4SP VIT 2KG/HINK KG 506,00 kr GPG411 GPG SPACKEL NOVATHERM SP VIT 12,5 KG/HINK KG 522,00 kr GPG412 GPG SPACKEL ECOMASTIC 5 SP VIT 12,5 KG/HINK KG 506,00 kr FOG GPG510 GPG FOG NOVATHERM SP VIT 310 ML ST 306,00 kr GPG511 GPG FOG ECOMASTIC 5 SP VIT 310 ML ST 266,00 kr GPG512 GPG FOG NOVAFLEX GRAFITGRÅ 310 ML ST 400,00 kr GPG513 GPG FOG NOVASIL FR 310 ML ST 300,00 kr GPG514 GPG FOG MA2 VIT 310 ML ST 234,00 kr GPG515 GPG FOG MA3A GRÅSVART 310 ML ST 284,00 kr GPG516 GPG FOG MA4S 310 ML ST 476,00 kr GPG517 GPG FOG INTUMEX MW 310 ML ST 488,00 kr GPG518 GPG FOG INTUMEX MA 310 ML ST 334,00 kr GPG519 SUPERWOOL BOTTN.MTRL.BR.610MM TJ.25MM KART 3 388,00 kr G.1

96 G.2

97

Visa mer