FIRE SAFETY DESIGN FSD project no. 05-196 NULLIFIRE S707-60 Dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner baserade på NT FIRE 021 Date: 2006-03-15 Revised: - Fire Safety Design AB MSc Sebastian Jeansson Fire Safety Design AB P.O. Box 3061 S-200 22 Malmö Sweden Org no.: SE-55 62 71-2165-01 Telephone: +46 40 680 07 70 Telefax: +46 40 680 07 79 E-mail: info@fsd.se
Document information FSD Project no.: 05-195 Project title: NULLIFIRE S707-60 Document title: Dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner baserade på NT FIRE 021 (Swedish language) Document number: 04-022C-0 Client: Client reference: Nullifire Ltd. Torrington Avenue, Coventry CV4 9TJ UK John Gordon Tel.: 0044-24 7685 5000 Fax: 0044-24 7646 9547 e-mail: JWGordon@nullifire.com Issued by: Checked by: Sebastian Jeansson Tommy Wågsäter Key words: Swedish language report based on FSD report 05-195, Rev A: Assessment of Nullifire S707-60 Intumescent Coating for Steel Structures, Calculations According to NORDTEST Method NT Fire 021 for Sweden (2006-02-27). Report status: Confidential Internal Open 0 060315 Version 0 SJ TW Version Date Issue Executor Controller Sida 1
Innehållsförteckning 1 Introduktion... 3 1.1 Omfattning...3 1.2 Brandteknisk klassificering...3 2 Termisk påverkan enligt standardbrandkurvan... 4 3 Definition av kritisk ståltemperatur... 5 4 Resulterande kritisk ståltemperatur... 7 5 Dimensioneringstabeller... 12 6 Referenser... 18 Sida 2
1 Introduktion På uppdrag av Nullifire Ltd har Fire Safety Design AB tagit fram dimensioneringstabeller för brandisolering av bärande stålkonstruktioner med brandskyddsfärgen NULLIFIRE S707-60. Tabellerna är baserade på försök utförda av Warrington Fire Research Centre Ltd enligt NT FIRE 021 och dokumenterade i rapporten FSD 05-195, Rev A: Assessment of Nullifire S707-60 Intumescent Coating for Steel Structures, Calculations According to NORDTEST Method NT Fire 021 for Sweden (2006-02-27) /1/. I dimensioneringstabellerna anges erforderlig appliceringstjocklek NULLIFIRE S707-60 i torrt tillstånd som funktion av sektionsfaktor och lastutnyttjandegrad i brandtillståndet samt motsvarande kritiska ståltemperatur. Framtagna tabeller omfattar två brandtekniska klasser, R30 respektive R60, avseende 3- och 4-sidigt exponerade I- och RHS-tvärsnitt. 1.1 Omfattning Erforderlig mängd brandskyddsfärg för 3- respektive 4-sidigt brandexponerade stålkonstruktioner baseras på profilfaktorn där temperaturhöjningen beror på förhållandet mellan profilens exponerade yta och tvärsnittsarea. Dimensioneringstabellerna i avsnitt 5 baseras på standardbrand enligt ISO 834 och Eurocode 1 /5/ och omfattar en kombination av profiltyp, konstruktionstyp, lastutnyttjandegrad i brandtillståndet med tillhörande kritiska temperaturer, profilfaktor och appliceringstjocklek av NULLIFIRE S707-60 enligt följande: Profiltyp: I- respektive RHS Tvärsnitt Exponering I-tvärsnitt: 3- och 4-sidig ISO 834 under 30, 60 & 90 min. RHS: 3- och 4-sidig ISO 834 under 30 och 60 min. Konstruktion: Balkar och pelare av stål Lastutnyttjandegrad i brandtillståndet: 20 90 % Profilfaktor 40 320 m -1 (I-tvärsnitt), 50 280 m -1 (RHS-tvärsnitt) Appliceringstjocklek: 0,2 1,25 mm (torrtjocklek I-tvärsnitt) 0,2 1,10 mm (torrtjocklek RHS-tvärsnitt) Angivna lastutnyttjandegrader baseras på laster och partialkoefficienter i brandtillståndet. En konvertering av lastutnyttjandegraden från normaltillståndet (brottgränstillståndet) till brandtillståndet omfattas inte i detta arbete. 1.2 Brandteknisk klassificering Byggnadskonstruktioner och konstruktionsdelar indelas generellt i brandtekniska klasser med avseende på dess avskiljande (EI) och bärande (R) förmåga vid brand. Funktionskravet åtföljs av en tidsangivelse i minuter som anger hur länge funktionen är uppfylld. För en bärande byggnadsdel innebär funktionskravet att byggnadsdelen ej får kollapsa under den klassificerade tiden med aktuell belastning. För att en specifik konstruktion skall kunna hänföras till en brandteknisk klass krävs att dess beteende i en brandsituation verifieras på ett av följande sätt: Sida 3
provning i brandlaboratorium beräkning en kombination av provning och beräkning Dimensioneringsanvisningarna, avseende klassificering med hänsyn till den bärande funktionen, är framtagna genom en kombination av provningar och beräkningar enligt /1/. Den bärande funktionen upprätthålls genom kontroll att lasteffekten i brandtillståndet inte överstiger strukturens bärförmåga i brandtillståndet. Detta innebär att följande villkor skall vara uppfyllt: R > S (1-1) d, fi d, fi där S d, fi = lasteffekten i brandtillståndet R d, fi = bärförmåga i brandtillståndet Lasteffekten kan beräknas enligt Eurocode 3 eller nationella standarder. Reduceringen av bärförmågan kan uttryckas med en tillhörande kritisk temperatur, beskriven i avsnitt 3. 2 Termisk påverkan enligt standardbrandkurvan I enlighet med BKR (10:21) /2/ får, vid dimensionering genom beräkning, bärförmågan beräknas med utgångspunkt från brandpåverkan definierad av standardbrandkurvan ISO 834 /5/. Den termiska påverkan enligt standardbrandkurvan ISO 834 beskrivs av en uppvärmning av gastemperaturen i överensstämmelse med figur 2-1. Uppvärmningsfasen följer ett samband definierat i ekvation 2-1. T ( t) = 345 log(480t + 1) + T0 t > 0 (2-1) där t = tiden i h T(t) = gastemperatur i C vid tiden t T 0 = temperatur i C vid tiden 0. Sida 4
1200 1000 Gas temperature [ C] 800 600 400 200 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Time [h] Figur 2-1 Termisk påverkan enligt standardbrand ISO 834. 3 Definition av kritisk ståltemperatur Vid brand utsätts en konstruktion för termisk påverkan med resultatet att temperaturen i materialet successivt höjs. Detta medför en minskning av bärförmågan beroende på konstruktionens temperaturtidfält. Kännedom om de ingående materialens mekaniska egenskaper vid höga temperaturer utgör därför ett nödvändigt underlag vid brandteknisk dimensionering. I enlighet med Eurocode 3 /3/ tillåts en högre påkänning och ett större utnyttjande av materialegenskaperna vid brand än under normala omständigheter. Dimensionerande materialparametrar regleras genom partialkoefficienter, vilka varierar för dimensionering i brottgräns- och brandstadiet. Den bärande konstruktionsdelens lastutnyttjandegrad kan omsättas till en kritisk ståltemperatur enligt Eurocode 3 /3/, se ekvation 3-1. där 1 T cr = 39,19 ln 1 + 482 3.833 0.9674 (3-1) μ 0 μ 0 = initiell lastutnyttjandegrad i brandtillståndet vid tiden t = 0 T = kritisk ståltemperatur cr Den ursprungliga lastutnyttjandegraden i brandtillståndet definieras som μ 0 = Sd,fi Rd,fi,0 Sida 5
där R d,fi,0 = relativ bärförmåga i brandtillståndet vid tiden t = 0 S = lasteffekten i brandtillståndet (se ekvation 1-1) d,fi Den kritiska ståltemperaturen avseende en initiell lastutnyttjandegrad i brandtillståndet mellan 10-90% visas i tabell 3-1. Lastutnyttjandegrad Kritisk ståltemperatur μ C 0 0,9 458 0,8 496 0,7 526 0,6 554 0,5 585 0,4 620 0,3 664 0,2 725 0,1 829 Tabell 3-1 Kritisk ståltemperatur enligt Eurocode 3 avseende en initiell lastutnyttjandegrad i brandtillståndet mellan 10-90%. Figur 3-1 Exempel på brandskyddade stålkonstruktioner med I-profil respektive RHS-profil. Temperaturhöjningen i en brandpåverkad konstruktion och därmed också mängden brandskydd, beror på profilfaktorn. Profilfaktorn är ett mått på förhållandet mellan profilens exponerade yta och tvärsnittsarea, vilket vanligen uttrycks som (m -1 ). -förhållandet för en generell I-profil respektive RHS-profil visas i figur 3-2. Sida 6
4-sidig 3-sidig I-Profil F = 4 b 2 d + 2 h A = 2 b t + ( h - 2 t) d) F = 3 b 2 d + 2 h A = 2 b t + ( h - 2 t) d) RHS-profil F = 2 b + 2 h A = 2 t ( b + h - 2 t) F = b + 2 h A = 2 t ( b + h - 2 t) Figur 3-2 förhållandet för en I-profil respektive RHS-profil. 4 Resulterande kritisk ståltemperatur Kritisk ståltemperatur som funktion av profilfaktor och appliceringstjocklek Nullifire S707-60 för de brandtekniska klasserna R30 och R60 med 3- och 4-sidigt exponerade I- och RHS-sektioner visas i figurer 4-1 till 4-6. Ståltemperaturerna är härledda ur analyser utförda i enlighet med NT Fire 021, /1/. Sida 7
700 650 30 minutes 3-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm 600 Temperature [ C] 550 500 450 400 350 50 100 150 200 250 300 Figur 4-1 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 3-sidig brand och brandklass R30. 800 60 minutes 3-sided I sections 750 700 650 Temperature [ C] 600 550 500 450 400 thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm thickness = 1.1 mm thickness = 1.2 mm 350 50 100 150 200 250 300 Figur 4-2 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 3-sidig brand och brandklass R60. Sida 8
Temperature [ C] 850 800 750 700 650 600 550 90 minutes 3-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm thickness = 1.1 mm thickness = 1.2 mm thickness = 1.25 mm 500 450 400 350 50 100 150 200 250 300 Figur 4-3 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 3-sidig brand och brandklass R90. 750 30 minutes 4-sided I sections 700 650 thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm 600 Temperature [ C] 550 500 450 400 350 50 100 150 200 250 300 350 Figur 4-4 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 4-sidig brand och brandklass R30. Sida 9
60 minutes 4-sided I sections 800 700 Temperature [ C] 600 500 400 300 thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm thickness = 1.1 mm 0 50 100 150 200 250 300 350 Figur 4-5 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 4-sidig brand och brandklass R60. 800 750 700 650 90 minutes 4-sided I sections thickness = 0.2 mm thickness = 0.3 mm thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm Temperature [ C] 600 550 500 450 400 350 0 50 100 150 200 250 300 Figur 4-6 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för I-tvärsnitt med 4-sidig brand och brandklass R90. Sida 10
700 30 minutes RHS sections 650 600 thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm Temperature [ C] 550 500 450 400 350 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Figur 4-7 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för RHS-tvärsnitt i brandklass R30. 800 60 minutes RHS sections 750 700 650 Temperature [ C] 600 550 500 450 400 thickness = 0.4 mm thickness = 0.5 mm thickness = 0.6 mm thickness = 0.7 mm thickness = 0.8 mm thickness = 0.9 mm thickness = 1 mm 350 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Figur 4-8 Kritisk ståltemperatur som funktion av appliceringstjocklek och profilfaktor () för RHS-tvärsnitt i brandklass R60. Sida 11
5 Dimensioneringstabeller Erforderlig mängd av NULLIFIRE S707-60 på 3- och 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med öppna respektive slutna tvärsnitt redovisas i tabeller 5-1 5-3. Värdena i dimensioneringstabellerna grundas på lastutnyttjandegraden i brandtillståndet, μ 0. Sida 12
Nullifire S707-60 Dimensioneringstabell för 3-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] 458 90 50-125 3-sidig Brandklass R30 126-188 189-251 252-300 496 80 50-145 146-218 219-291 292-300 526 70 50-162 163-243 244-300 554 60 50-179 180-268 269-300 3- sidig Brandklass R60 50-66 67-88 89-110 111-131 132-153 154-159 160-164 165-183 184-201 202-219 50-74 75-98 99-123 124-148 149-172 173-178 179-183 184-203 204-224 225-225 50-54 55-82 83-109 110-136 137-163 164-190 191-194 195-198 199-221 222-225 50-60 61-89 90-119 120-148 149-177 178-207 208-211 212-215 216-225 1.20 1.20 3-sidig Brandklass R90 50-60 61-72 73-84 85-96 97-108 109-120 121-132 133-144 145-150 50-54 55-67 68-81 82-94 95-108 109-122 123-135 136-149 150-162 163-169 50-59 60-74 75-89 90-104 105-119 120-134 135-148 149-163 164-178 179-186 50-64 65-81 82-97 98-113 114-129 130-146 147-162 163-178 179-194 195-202 1.20 1.25 1.20 1.25 1.20 1.25 1.20 1.25 Tabell 5-1 a Dimensioneringstabell för 3-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 13
Nullifire S707-60 Dimensioneringstabell för 3-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] 585 50 50-200 3-sidig Brandklass R30 201-300 620 40 50-227 228-300 664 30 50-272 273-300 3- sidig Brandklass R60 50-66 67-98 99-130 131-163 164-195 196-228 229-231 50-72 73-109 110-145 146-181 182-217 218-254 255-257 50-84 85-125 126-166 167-208 209-250 251-291 292-294 725 20 50-300 50-102 103-152 153-203 204-254 255-300 3-sidig Brandklass R90 50-53 54-71 72-89 90-106 107-124 125-142 143-160 161-178 179-196 197-214 215-223 50-59 60-79 80-98 99-118 119-138 139-158 159-178 179-198 199-217 218-225 50-67 68-90 91-113 114-135 136-158 159-181 182-203 204-225 50-54 55-82 83-109 110-136 137-164 165-191 192-218 219-225 1.20 1.25 1.20 Tabell 5-1 b Dimensioneringstabell för 3-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 14
Nullifire S707-60 Dimensioneringstabell för 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] 458 90 40-119 4-sidig Brandklass R30 120-180 181-240 241-300 301-320 496 80 40-139 140-209 210-278 279-320 526 70 40-157 158-235 236-314 315-320 554 60 40-174 175-262 263-320 4-sidig Brandklass R60 40-42 43-63 64-85 86-106 107-127 128-149 150-170 171-191 192-212 213-234 40-47 48-71 73-95 96-119 120-143 144-167 168-191 192-215 216-239 240-263 40-53 54-78 79-105 106-131 132-157 158-184 185-210 211-236 237-263 264-289 40-57 58-85 86-114 115-142 143-171 172-200 201-228 229-257 258-286 287-314 4-sidig Brandklass R90 40-45 46-57 58-68 69-80 81-91 92-103 104-114 40-51 52-64 65-77 78-89 90-102 103-115 116-128 40-42 43-56 57-70 71-84 85-98 99-112 113-126 127-140 40-45 46-61 62-76 77-91 92-106 107-122 123-137 138-152 Tabell 5-2 a Dimensioneringstabell för 4-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 15
Nullifire S707-60 Dimensioneringstabell för 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt Kritisk temp. T cr Lastutnyttjandegrad % μ 0 [ C ] 585 50 40-196 4-sidig Brandklass R30 197-294 295-320 620 40 40-224 225-320 664 30 40-267 268-320 4-sidig Brandklass R60 40-62 63-93 94-124 125-156 157-187 188-218 219-250 251-281 282-312 313-320 40-68 69-102 103-136 137-171 172-205 206-239 240-274 275-308 309-320 40-77 78-115 116-154 155-192 193-231 232-269 270-308 309-320 725 20 40-320 40-91 92-137 138-183 184-229 230-275 276-320 4-sidig Brandklass R90 40-50 51-66 67-83 84-100 101-116 117-133 134-150 151-166 40-55 56-73 74-92 93-110 111-129 130-147 148-166 167-184 40-41 42-62 63-83 84-104 105-125 126-146 147-167 168-188 189-200 40-50 51-75 76-100 101-125 126-150 151-175 176-200 Tabell 5-2 b Dimensioneringstabell för 4-sidigt exponerade balkar och pelare med I-tvärsnitt. Sida 16
Nullifire S707-60 Dimensioneringstabell för 3- och 4-sidigt brandexponerade balkar och pelare med RHS-tvärsnitt Kritisk temp. T cr [ C ] Lastutnyttjandegrad % μ 0 458 90 50-121 Brandklass R30 122-152 153-182 183-212 213-243 244-273 274-280 496 80 50-137 138-171 172-206 207-240 241-275 276-280 526 70 50-151 152-189 190-227 228-265 266-280 554 60 50-166 167-207 208-249 250-280 585 50 50-185 186-231 232-278 279-280 620 40 50-210 211-263 264-280 664 30 50-248 249-280 tjocklek Brandklass R60 50-91 92-104 105-117 118-130 50-88 89-102 103-117 118-131 132-146 50-80 81-96 97-112 113-128 129-144 145-160 50-87 88-104 105-121 122-139 140-156 157-174 50-95 96-114 115-134 135-153 154-172 173-180 50-84 85-106 107-127 128-148 149-169 170-180 50-96 97-121 122-145 146-169 170-180 725 20 50-280 50-117 118-147 148-176 177-180 tjocklek Tabell 5-3 Dimensioneringstabell för 3- och sidigt exponerade balkar och pelare med RHStvärsnitt. Sida 17
6 Referenser /1/ FSD-rapport 05-195, Rev A: Assessment of Nullifire S707-60 Intumescent Coating for Steel Structures, Calculations According to NORDTEST Method NT Fire 021 for Sweden (2006-02- 27) /1/. /2/ BKR, Boverkets Konstruktionsregler. Karlskrona 2002. /3/ Eurocode 3. Design of steel structures - Part 1-2: General rules -Structural Fire Design, ENV 1993-1-2. CEN Brussels 1993. /4/ SUPER-TEMPCALC, A Commercial and User-friendly Computer Program with Automatic FEgeneration For Temperature Analysis of Structures Exposed to Fire, Anderberg Y., FIRE SAFETY DESIGN AB. Lund 1991. /5/ Eurocode 1. Basis of design part 2.2, Actions on structures exposed to fire, ENV 1991-2-2. CEN Brussels 1994 /6/ TCD 5.0 User s Manual, rev. 4, Jeansson, S, FIRE SAFETY DESIGN AB, Lund 2000. /7/ ECCS No 89 - Technical committee 3, Fire Safety of Steel Structures. September 1995. /8/ NAD SS-ENV 1993-1-2, National application document for Eurocode 3 part 1.2, Structural fire design. /9/ JOHANNESSON P., VRETBLAD B.: Byggformler och tabeller. Liber Utbildning AB. Uppsala 1993. /10/ Anderberg, Y.: Properties of materials at high temperatures steel. Rilem report 1983. /11/ Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L.: The Finite Element Method, Volume 2, 4 th Edition, McGraw-Hill International (UK) Ltd, London, 1991. /12/ Holman, J. P.: Heat Transfer, Seventh edition, Singapore 1990. /13/ ENV 13381-4: Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members - Part 4: Applied protection to steel members. CEN Brussels 2002. Sida 18