Betongfyllda stålpelare dimensionering med hänsyn till brand

Betongfyllda stålpelare dimensionering med hänsyn till brand Samverkanskonstruktioner av stål och betong Brand Eurokod 4, del 1-2 Peter Karlström Stålbyggnadsinstitutet Bild nr 1 2004-08-24

Stålbyggnadsinstitutet SBI Arcelor Corus Sverige AB Outokumpu Stainless Rautaruukki Rör AB SSAB Oxelösund AB SSAB Tunnplåt AB Europrofil AB Gasell Profil AB Lindab Profil AB Plannja AB Bröderna Edstrand AB Tibnor AB Br Jansson-Nissavarvet, AB Contiga AB DEM-Verk Mekaniska AB EAB AB Göinge Mekaniska AB H Forssells Smidesverkstad, AB H-Steel Oy Ltd Lecor Stålteknik AB Llentab AB Maku-Stål AB Normek AB Peikko AB PPTH-Norden Oy Ranaverken, AB Scandinavian WeldTech AB Skanska Stålteknik AB Smederna, AB Stålmonteringar AB Stålab AB Västanfors Industrier Bjerking Ingenjörsbyrå AB Bloms Ingenjörsbyrå AB ELU Konsult AB FB Engineering AB Hillstatik AB Kadesjös Ingenjörsbyrå AB PI i Göteborg PIAB AB Prodevelopment i Sverige AB Projektteamet Västsvenska AB Ramböll Sweco Bloco AB SZ Konsult AB Tyréns AB VBK WSP Sverige AB Gyproc AB Ejot & Avdel System AB Emhart Teknik AB ESAB AB Finja Bemix AB GPG Fire Systems AB K-Plast AB Knauf Danogips A/S Norgips Svenska AB OCS Engineering Paroc AB Richard Steen AB Saint-Gobain Isover AB SFS Intec AB StruProg AB Stål- och Brandteknik AB Tekla Software AB Tepro Byggmaterial AB U-nite Fasteners Technology AB Arcona AB PEAB AB Open House System AB Skanska Sverige AB Force Technology Sweden AB Ingenjör Joel L Jonsson AB Jernkontoret Mekaniska Verkstädernas Riksförbund Plåtslageriernas Riksförbund Svenska Färgfabrikanters Förening The Steel Construction Institute Bild nr 2 2004-08-24

Eurokod 4 EN 1994 Dimensionering av samverkanskonstruktio ner i stål och betong Del 1-1, Allmänna regler för byggnader Del 1-2, Brandteknisk dimensionering Del 2, Broar Bild nr 3 2004-08-24

EN 1994-1-2 Brandteknisk dimensionering av samverkanskonstruktioner i stål och betong Passiva metoder för brandskydd Kan tillämpas för konstruktioner som ska uppfylla krav på: Bärförmåga Begränsning av spridning av brand (avskiljande funktion) Ej förspända betongkonstruktioner (prestressed concrete parts) Bild nr 4 2004-08-24

Betongfyllda pelare Typiska exempel på samverkanspelare: Betongfyllda pelare kan ha olika typer av tvärsnitt och armeringen kan ersättas med någon typ av stålkärna Kan kompletteras med brandskyddsisolering Normal betong, klass C20/25 till C60/75 Bild nr 5 2004-08-24

Grundläggande krav Dimensioneras för att uppfylla sin lastbärande funktion under relevant brandexponering Nominella brandförlopp Standardbrandkurvan (till exempel R60, R90) Utvändiga brandkurvan (External fire exposure) Kolvätekurvan (Hydrocarbone fire exposure) Parameterberoende brandförlopp Brandförlopp som tar hänsyn till brandens verkliga beteende, Bild nr 6 2004-08-24 inklusive avsvalningsfas

Laster (Actions) Enligt EN 1991-1-2 Temperaturpåverka n Bild nr 7 2004-08-24 Mekanisk last Deformationer på grund av temperaturändringa r Tvångskrafter Laster från normaltemperatur

Materialegenskaper Brand Temperaturberoende Termiska och mekaniska egenskaper Reducerade värden på hållfastheten och elasticitetsmodulen Bild nr 8 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Mekaniska egenskaper vid normal temperatur för betong och armering enligt EN 1992-1-1 Mekaniska egenskaper vid normal temperatur för stål enligt EN 1993-1-1 Mekaniska egenskaper vid förhöjda temperaturer (brand) enligt EN 1994-1-2 Bild nr 9 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Stål Spännings-töjningssambandet (stress-strain relationship) för stål vid förhöjda temperaturer ges av: Bild nr 10 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Stål Bild nr 11 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Stål Bild nr 12 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Betong Spännings-töjningssambandet för betong vid förhöjda temperaturer ges av: Bild nr 13 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Betong Bild nr 14 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Armering Spännings-töjningssambandet för armering vid förhöjda temperaturer är samma som för vanligt konstruktionsstål Reduktionsfaktorerna skiljer sig från vanliga konstruktionsstål kallbearbetat stål Bild nr 15 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Armering Bild nr 16 2004-08-24

Termiska egenskaper Stål Längdutvidgning (Thermal elongation) Specifik värme (Specific heat) Värmekonduktivitet (Thermal conductivity) Bild nr 17 2004-08-24

Termiska egenskaper Betong Längdutvidgning (thermal elongation) Specifik värme (specific heat) Värmekonduktivitet (thermal conductivity) Bild nr 18 2004-08-24

Dimensionering Dimensionering med avseende på brand kan göras med någon av metoderna : Vedertagna färdiga lösningar (tabellerade data) Förenklade beräkningsmodeller Avancerade beräkningsmodeller Pelare utsatta för brand antas uppvärmas likformigt runt om och längs efter pelaren Bild nr 19 2004-08-24

Tabellerade data Gäller endast under påverkan av standardbrand (ISO 834) Beror på utnyttjandegraden (load level) Interpolering är tillåtet Bild nr 20 2004-08-24

Tabellerade data Betongfyllda stålpelare kan klassificeras efter: Utnyttjandegrad (η fi ) Tvärsnittsmått (b, h eller d) Armeringsinnehåll (A s ) Täckande betongskikt för armeringsstängerna (u s ) Värden gäller för armeringssort S500 Bild nr 21 2004-08-24

Tabellerade data Bild nr 22 2004-08-24

Förenklad beräkningsmodell Kan användas för normalkraftsbelastade pelare Tvärsnittet delas in i olika delar Ståltvärsnitt (index a) Armering (index s) Betong (index c) Bild nr 23 2004-08-24

Förenklad beräkningsmodell Tryckkraftsbärförmåg an (axial compression resistance) Reduktionskoefficient på grund av knäckning enligt EN 1993-1-1 (bucklingskurva c) Bild nr 24 2004-08-24

Förenklad beräkningsmodell Plastisk bärförmåga vid normalkraft Effektiv böjstyvhet Bild nr 25 2004-08-24

Sekantmodul för betong E c.sec = f c / ε cu Bild nr 26 2004-08-24

Kritisk last och slankhetstal Eulerknäckning Slankhetstal Bild nr 27 2004-08-24

Bild nr 28 2004-08-24 Knäckningslängd (buckling length)

Betongfyllda stålpelare Förenklad beräkningsmodell får användas: Knäckningslängd upp till 4,5 m Bredd eller diameter: 140 400 mm Betong: C20/25 till C40/50 Armeringsinnehåll: 1 5 % Standardbrand upp till 120 minuter Informativt Annex H Förenklad beräkningsmodell (www.cidect.com) Bild nr 29 2004-08-24

Beräkningsexempel Beräkna bärförmågan efter 90 minuter standardbrandpåverkan Förutsättningar: Samverkanspelare Armerat, betongfyllt stålrör Längd 3,8 m Ståltvärsnitt: CHS 323,9 x 10 S 355N Armering: 7 st φ 20 mm, B500B Betong: C30/37 Centrisk last Bild nr 30 2004-08-24

Brandteknisk dimensionering Brandklass R90 Brandbelastning: Standardbrandkurva ISO 834 Standardbrandkurvan 1200 1000 Standardbrandkurva 800 Temperatur [ºC] 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tid [min] Bild nr 31 2004-08-24

Temperaturberäkning FEM beräkningar för temperaturfördelning Bild nr 32 2004-08-24

Temperaturberäkning Laye Temperatur r 1 e 122 C 2 136 C 3 175 C 4 240 C 5 328 C 6 447 C 7 610 C 8 833 C Stee l 964 C Bild nr 33 2004-08-24

Mekaniska egenskaper Layer Area (mm 2 ) Radius (mm) Temperature f (MPa) E (MPa) Steel 9865 157 964 C 16,7 11130 Concrete - 8 17012 142,5 833 C 3,7 148 Concrete - 7 14743 123,5 610 C 12,6 504 Concrete - 6 12475 104,5 447 C 19,7 1595 Concrete - 5 10207 85,5 328 C 23,8 3036 Concrete - 4 7939 66,5 240 C 26,4 4328 Concrete - 3 5671 47,5 175 C 27,9 5444 Concrete - 2 3402 28,5 136 C 29,0 6388 Concrete - 1 1134 9,5 122 C 29,0 6697 Reinforcemen t (layer 6) 2199 102 447 C 407 97000 Bild nr 34 2004-08-24

Dimensionerande bärförmåga Dimensioneringsvärde, bärförmåga vid brand enligt EN 1994-1-2: N = χn fi. Rd fiplrd.. χ is the reduction factor for buckling curve c according to EN 1993-1-1 Plastisk bärförmåga kan bestämmas ur: ( ) ( ) ( ) N = A f / γ + A f / γ + A f / γ fi. pl. Rd a. θ a.max. θ M. fi. a s. θ s.max. θ M. fi. s c. θ c. θ M. fi. c N fi. pl. Rd is the design value of plastic resistance to axial compression in the fire situation Effektiv böjstyvhet: ( EI ) = ( ϕ E I ) + ( ϕ E I ) + ( ϕ E I ) fi. eff a. θ a. θ a. θ s. θ s. θ s. θ c. θ c.sec. θ c. θ l θ is the buckling length of the column in the fire situation Bild nr 35 2004-08-24

Plastisk bärförmåga Npl.R = 9865*16,7 (Stål) + 3,7*17012 + 12,6*14743 + 19,7*12475 + 23,8*10207 + 26,4*7939 + 27,9*5671 + 29*3402 + 29*1134 (Betong) + 2199*407 (Armering) - 2199*19,7 (Reducera armeringsarea från betong) = 2253 kn Bild nr 36 2004-08-24

Effektiv böjstyvhet ϕ ϕ ϕ Addera bidragen från varje del med reducerade värden på elasticitetsmodulen i. θ c. θ s. θ a. θ is the reduction coefficient depending on the effect of thermal stresses = 0,8 = 0,8 ϕ = 0,9 ( EI ) fi. eff : π 4 4 9 0,9 11130 ( 324 304 ) = 1219 10 (Steel) 64 π 4 4 9 0,8 148 ( 304 266 ) = 20,54 10 (Concrete) 64 π 4 4 9 0,8 504 ( 266 228 ) = 45, 60 10 64 π 4 4 9 0,8 1595 ( 228 190 ) = 87, 63 10 64 π 4 4 9 0,8 3036 ( 190 152 ) = 91, 73 10 64 π 4 4 9 0,8 4328 ( 152 114 ) = 62,02 10 64 π 4 4 9 0,8 5444 ( 114 76 ) = 28,98 10 64 π 4 4 9 0,8 6388 ( 76 38 ) = 7,85 10 64 π 4 4 9 0,8 6697 ( 38 0 ) = 0,55 10 64 9 0,8 97000 11475842 = 890,5 10 (Reinforcement) Bild nr 37 2004-08-24

Bärförmåga Kritisk last: 2 9 π 2439,8 10 = = 1667,6 kn 3800 N fi. cr 2 Dimensionerande bärförmåga enligt EN 1994-1- 2: 3 2253 10 λ = = 1,16 3 1668 10 ( ( ) ) ( ) ( ) φ = + α λ + λ = + + = 2 2 0,5 1 0, 2 0,5 1 0, 49 1,16 0, 2 1,16 1, 41 1 χ = = 0, 45 2 2 φ + φ λ N fi. Rd = 0, 45 2253 = 1014 kn Bild nr 38 2004-08-24

Sammanfattning Enkla regler finns för att bestämma bärförmågan vid förhöjda temperaturer Tillåter nyanserade beräkningar där hänsyn kan tas till temperaturfördelningen i tvärsnittet Eurokoderna innebär bättre möjligheter för stål att konkurrera med andra material Bild nr 39 2004-08-24

Tack för er uppmärksamhet! Peter Karlström peter@sbi.se Bild nr 40 2004-08-24