Eurokod 3 del 1-2 Brandteknisk dimensionering av stålkonstruktioner

Transkript

1 Eurokod 3 del 1-2 Brandteknisk dimensionering av stålkonstruktioner Peter Karlström, Konkret Rådgivande Ingenjörer i Stockholm AB Allmänt EN (Eurokod 3 del 1-2) är en av totalt 20 delar som handlar om dimensionering av stålkonstruktioner. Del 1-2 handlar alltså om brandteknisk dimensionering och är tillämplig för i stort sett alla byggnadskonstruktioner i stål. Den behandlar dimensionering av stålkonstruktioner där branden är en olyckslast och ska användas tillsammans med EN som ger regler för normaltemperaturdimensionering och EN som ger laster på grund av brand. I Sverige finns inga motsvarande regler för brandteknisk dimensionering av stålkonstruktioner förutom ett antal handböcker utgivna av bland annat Stålbyggnadsinstitutet. Den fyller därför en lucka i det svenska regelverket. Innehåll och upplägg EN är uppdelat i fyra kapitel samt fem bilagor. Kapitel 1 beskriver standardens omfattning och ger en del begreppsförklaringar. Kapitel 2 beskriver de grundläggande kraven som gäller för dimensionering enligt EN Kapitel 3 beskriver stålets materialegenskaper vid förhöjda temperaturer, såsom mekaniska och termiska egenskaper. För rostfritt stål hänvisar man till bilaga C. Kapitel 4 innehåller regler för dimensionering av oisolerade- och isolerade stålkonstruktioner samt konstruktioner skyddade av värmesköldar. Då bärförmåga vid brand är ett krav ska stålkonstruktioner dimensioneras och konstrueras så att bärförmågan är tillräcklig under relevant brandexponering. EN ger regler för hur bärförmågan för stålkonstruktioner kan bestämmas vid en viss temperatur. Principiellt gäller att dimensioneringsvärden för hållfasthet och elasticitetsmodul ska bestämmas enligt: X = k X / γ d, fi θ k M, fi där X är karakteristiskt värde av hållfasthet eller elasticitetsmodul enligt EN Partialkoefficienten för materialegenskaperna kan anges i nationell bilaga, men rekommenderat värde är 1,0. Reduktionsfaktorer för hållfasthet och elasticitetsmodul k θ ges som tabellerade värden. Bärförmågan kan alltså bestämmas vid en viss temperatur och kravet verifieras genom att se till så att bärförmågan är tillräcklig under relevant brandexponering. Beräkningsreglerna kan även användas för andra brandbelastningar än standardbrandkurvan. Stålets mekaniska egenskaper vid förhöjda temperaturer ges som spännings-töjningsrelationen enligt Figur 1. 1 (7)

2 Figur 1. Spännings-töjningsrelation för stål (vänster) och rostfritt stål (höger) vid förhöjda temperaturer. Som man kan se så existerar det inte någon sträckgräns i form av en flytplatå för stål vid förhöjda temperaturer. I stället används en sträckgräns baserad på en definierad tillåten kvarstående eller maximal töjning. I EN definieras stålets sträckgräns som spänningen vid den totala töjningen 2 %. Detta ger ett samband mellan stålets relativa hållfasthet (relativt rumstemperatur) enligt Figur 2. För enkelhetens skull har man definierat sträckgränsen som noll vid 1200 C även om den i verkligheten egentligen inte är noll förrän vid smältpunkten 1550 C. Dessa temperaturer är dessutom orealistiska när det gäller normala bränder. 2 (7)

3 Figur 2. Reduktionsfaktorer för spännings-töjningsrelationen för allmänna konstruktionsstål vid förhöjda temperaturer. Denna definition av sträckgräns, med 2 % tillåten total töjning, är användbar för dragna konstruktioner, men kan skapa problem för tryckta konstruktioner om instabilitetsfenomen avgör bärförmågan. För tunna konstruktioner i tvärsnittsklass 4, där bärförmågan alltid avgörs av någon form av buckling, bör 0,2 % tillåten kvarstående töjning användas. För temperaturer under 400 C kan spännings-töjningsrelationen vid förhöjda temperaturer utökas förutsatt att lokala instabilitetsfenomen inte leder till kollaps innan tvärsnittsbärförmågan är uppnådd, se Figur 3. Detta har praktisk betydelse om till exempel icke linjära analyser med FEM används för att bestämma spänningsfördelningen i en konstruktion där spänningsnivåer upp till brottgränsen vid förhöjda temperaturer kan tillåtas. Figur 3. Alternativt spännings-töjningsrelation om töjningshärdning kan tillåtas. 3 (7)

4 Dimensionering De förenklade dimensioneringsreglerna bygger i princip på samma regler som ges i EN Tvärsnitten delas in i tvärsnittsklasser enligt EN , men man har infört en faktor 0,85ε för att beakta effekterna av förhöjda temperaturer. Det innebär att ett tvärsnitt kan klassas om i brandlastfallet. För dragna konstruktioner är det inga större konstigheter när det gäller att beräkna bärförmågan. För en stång med jämn temperaturfördelning över tvärsnittet reduceras helt enkelt sträckgränsen i förhållande till den temperatur som konstruktionen har. Har man en ojämn temperaturfördelning över tvärsnittet kan bärförmågan bestämmas som summan för varje enskild del av tvärsnittet. Pelare För tryckta konstruktioner finns det en del saker man bör tänka på. Om vi börjar med tvärsnitt i klass 1, 2 och 3 (i Eurokod 3 finns fyra tvärsnittsklasser jämfört med BSK som har tre) så reduceras tvärsnittsbärförmågan på grund av knäckning. Till skillnad mot normaltemperaturdimensionering där man använder de Europeiska knäckningskurvorna har man vid dimensionering för brand definierat knäckningskurvan som: α = 0,65 235/ f y Det har man gjort för att kompensera den sträckgränsdefinition som man använder, dvs. 2 % maximal töjning. Som jämförelse kan man ta ett vanligt 355-stål som skulle ge ett värde på α = 0,53 jämfört med 0,34 eller 0,49 beroende på belastningsriktning och profilform i normaltemperaturfallet. Det innebär alltså att reduktionen blir något större. Valet av knäckningskurva beror till stor del på hur egenspänningarna är fördelade över ett tvärsnitt. Vid förhöjda temperaturer får egenspänningarna allt mindre betydelse, så det torde väl vara rimligt att fallet skulle vara tvärtom när det gäller valet av knäckningskurva. Slankheten bestäms även den med utgångspunkt från reducerade materialparametrar. Eftersom elasticitetsmodulen reduceras snabbare jämfört med sträckgränsen vid 2 % töjning (jämför Figur 2) så måste även slankheten räknas om vid förhöjda temperaturer. Ett mer rationellt tillvägagångssätt skulle kunna vara att använda samma slankhet och knäckningskurvor som man använder vid normaltemperaturdimensionering och använda 0,2 % gränsen för reducering av hållfasthetsparametrarna. En jämförelse mellan de olika beräkningsförutsättningarna för en normal pelare ger inte någon större skillnad i resultaten för bärförmågan. För tryckta konstruktioner i tvärsnittsklass 4 måste man beakta risken för lokal buckling. Det gör man även vid normaltemperaturdimensionering genom att reducera tvärsnittet med hänsyn till lokal buckling. I EN hänvisar man till bilaga E för konstruktioner i tvärsnittsklass 4. Bilagan är informativ men jag skulle tro att den kommer att accepteras att användas även i Sverige. I bilagan hänvisar man till samma regler som gäller för tvärsnittsklass 1, 2 och 3 i huvudtexten, men att man i stället för 2 % töjningsdefinition ska använda reduktionsfaktorer baserade på 0,2 % plastisk töjning. Även i detta fall använder man knäckningskurvan för brand enligt definitionen ovan, men resultat från försök och datorsimuleringar har visat att man i detta fall skulle kunna förenkla beräkningsförfarandet genom att använda samma regler som för normaltemperaturdimensionering och de knäckningskurvor man anger där, modifierat med reducerade hållfasthetsparametrar och elasticitetsmodul. 4 (7)

5 Knäckningslängd i brandlastfallet I brandlastfallet kan man i några specifika fall reducera knäckningslängden för en pelare i en flervåningsstomme. Normalt antar man samma knäckningslängd som för normaltemperaturdimensionering, men i horisontellt stagade stommar där man har kontinuerliga pelare i fler än ett plan kan knäckningslängden reduceras. Man förutsätter att varje våningsplan är en brandcell. I ett mellanliggande våningsplan kan knäckningslängden reduceras till 0,5L om pelaren är kontinuerlig i våningsplanet ovan och under. När det brinner så antas pelaren behålla sin styvhet i de svalare våningsplanen vilket medför att pelaren blir inspänd i anslutningarna till dessa. För det översta våningsplanet kan knäckningslängden reduceras till 0,7L. Balkar För böjbelastade konstruktioner i tvärsnittsklass 1 och 2, dvs. konstruktioner som kan uppnå plastisk bärförmåga, reduceras bärförmågan med sträckgränsen vid förhöjda temperaturer. Med risk för vippning reduceras tvärsnittsbärförmågan, men även här har man valt en annan knäckningskurva jämfört med normaltemperaturdimensionering. Det finns även regler för hur momentbärförmågan kan bestämmas om man har en ojämn temperaturfördelnings över tvärsnittet. För balkar i tvärsnittsklass 3 gäller i princip samma sak som för klass 1 och 2 med den skillnaden att man räknar elastiskt. Tvärsnittsklass 4 behandlas på liknande sätt som för tryckta stänger, dvs. att man använder effektivt tvärsnitt och 0,2 % gränsen. Tryck och böjning Reglerna för tryck och böjning skiljer sig tack och lov mot dem i EN I EN ges interaktionsformler med en uppsjö av formler för koefficienter att välja mellan och de är långt ifrån användarvänliga som en professor uttryckte det. I EN ges också interaktionsformler, men med något snällare uttryck för de koefficienter som tar hänsyn till momentfördelningen. Dock så kan jag inte påstå att de är särskilt strikta och för att göra beräkningarna effektiva krävs det att ett datorprogram används. Kritisk temperatur Som ett alternativ till de förenklade beräkningsmetoderna kan bärförmågan verifieras med temperaturen. Genom att beräkna konstruktionens utnyttjandegrad som kvoten mellan lasteffekten och bärförmågan i brandlastfallet kan konstruktionens kritiska temperatur bestämmas. Den kritiska temperaturen är då den temperatur konstruktionen har då den är fullt utnyttjad. Om dimensionerande spänning under brandlastfallet är mindre än 50 % av sträckgränsen vid rumstemperatur, kan man anta att den kritiska temperaturen är ca 550 C eller högre. Bestämning av ståltemperatur I EN ges också anvisningar för hur temperaturen i en stålkonstruktion kan bestämmas. Den bestäms med hjälp av stålets fysikaliska parametrar, men även geometrin påverkar konstruktionens temperaturutveckling. Geometrin beskrivs med en storhet som kallas sektionsfaktorn. Sektionsfaktorn beskriver relationen mellan formen och storleken på en konstruktion och hur eventuell brandskyddsisolering är utformad. Ett högt värde på sektionsfaktorn innebär att profilen upphettas snabbare jämfört med ett lågt värde. Uppvärmningshastigheten beror på elementets ytarea (A m ) och volym (V) per längd. 5 (7)

6 Bilagor Eurokod 3 del 1-2 innehåller fem bilagor som ger kompletterande information till huvudtexten inom olika områden. Bilaga A och B är normativa, det vill säga att de har samma status som huvudtexten i standarden. Bilaga C, D och E är informativa, det betyder att varje land får avgöra om man ska tillämpa den eller inte. Bilaga A ger information om hur töjningshärdning kan utnyttjas vid förhöjda temperaturer. Kortfattat kan man säga att för temperaturer mellan 400 C och 100 C kan man tillåta töjningar från 1,0 ggr sträckgränsen upp till 1,25 ggr sträckgränsen reducerad för aktuell temperatur. Bilaga B innehåller metoder för hur värmeöverföringsberäkningar kan göras till stålkonstruktioner belägna utanför fasaden i en byggnad. Detta kan vara användbart för konstruktioner som till exempel loftgångar, balkonger eller liknande. Bilaga C ger termiska och mekaniska egenskaper för rostfritt stål vid förhöjda temperaturer. Bilagan är informativ men det skulle förvåna mig om den inte skulle tillåtas att användas i Sverige. Det skulle innebära att samma regler som används för att bestämma bärförmågan vid en viss temperatur för vanliga konstruktionsstål skulle kunna tillämpas även på rostfritt stål. För närvarande finns sorterna , , , och med i standarden. Bilaga D handlar om knutpunkter. Regler för hur bärförmågan vid en viss temperatur för skruvar och svetsar ges här. Även förenklade beräkningar för hur temperaturen i en knutpunkt kan bestämmas finns i denna bilaga. Normalt räknar man inte bärförmågan vid förhöjda temperaturer för ett knutpunktsförband. Vid oskyddade stålkonstruktioner är det dock viktigt att även tänka på knutpunktens bärförmåga. Bilaga E ger tilläggsregler för konstruktioner i tvärsnittsklass 4. Bärförmågan för klass 4 tvärsnitt avgörs på grund av lokal buckling. Därför kan man inte tillåta lika stor töjning vid bestämning av hållfastheten. För konstruktioner i tvärsnittsklass 4 rekommenderar man i stället att använda 0,2 % plastisk töjning som sträckgränsdefinition i stället för 2 % total töjning. I denna bilaga hänvisar man dessutom till eurokoden för kallformade profiler och tunnplåt, EN och eurokoden för svetsade plåtbalkar, EN som används för att beräkna effektivt tvärsnitt. Slutord EN är utarbetad i ett paket tillsammans med del 1-1 för allmänna regler och regler för byggnader, del 1-8 för knutpunkter och förband, del 1-9 för utmattning och del 1-10 för seghet och egenskaper i tjockleksriktningen. De är tekniskt sett färdiga och kommer att översättas till svenska under året och förses med nationell bilaga. Del 1-2 ger regler när det gäller dimensionering av stålkonstruktioner vid brand. Konstruktören kommer att kunna bestämma bärförmågan vid en viss temperatur och på ett mer nyanserat sätt besluta om erforderliga åtgärder för att uppfylla de brandskyddstekniska kraven. Normalt sett skyddar man konstruktionen mot brand genom att brandskyddsisolera den, men kostnadseffektivare lösningar kan tas fram om man vet hur konstruktionen utnyttjas. Varför ska man inte tillämpa samma dimensioneringsfilosofi vid brand som för andra gränsstadieområden som snölast och vindlast? När man dimensionerar ett hus för vindlasten så sätter man väl inte upp enorma vindbarriärer framför huset?! Som jag ser det så finns det en del saker kvar att göra med EN , den är inte helt komplett. Många av de regler som finns idag är kompromisser där deltagare i arbetsgrupperna inte har kommit överens. I en del fall finns helt enkelt inte tillräcklig forskning eller underlag inom området för att ge specifika regler. Men EN är ett värdefullt tillskott med avseende på brandteknisk dimensionering av stålkonstruktioner, och jag tror att den kan få stor betydelse då den kan ersätta dyra brandprovningar. 6 (7)

7 7 (7)