Påverkan på balkar vid lokal brand

BRANDFORSK 115 87 STOCKHOLM HANDLÄGGARE, ENHET DATUM BETECKNING SIDNUMMER Joakim Sandström, brandteknik 2013-09-05 Projektansökan 1 (8) 070-621 55 81, joakim.sandstrom@brandskyddslaget.se Påverkan på balkar vid lokal brand SAMMANFATTNING 2013-09-05 En lokal brand är en brand som inte har gått till övertändning, exempelvis en brand i en stor lokal eller initialskedet i en rumsbrand. En av de viktigaste aspekterna vid en lokal brand är sannolikheten för en tidig kollaps vilket naturligtvis har stor inverkan på säkerheten vid släckningsinsatser, egendomsskydd och röjning. De termiska effekterna av en lokal brand kan inte beräknas med rumsbrandsmodeller vilket gör det svårt att beräkna stommens respons lokalt på ett trovärdigt sätt. Vidare måste varierande temperaturer och omfördelning av laster hos stommen beaktas för att få en konkurrenskraftig och säker bedömning av en konstruktions bärförmåga vid brand. De modeller som finns för att beräkna termisk påverkan på konstruktioner vid lokal brand är svåra att använda för en noggrannare analys och de finare analysverktyg som finns är inte utvärderade mot försök och svensk konstruktionstradition. Att det inte finns en vetenskaplig metod har skapat en stor osäkerhet vid dimensionering av, framförallt, stålhallar. Det är därför viktigt att validera de typer av verktyg som finns för att kunna skapa en mer trovärdig modell för beräkning av termisk och mekanisk påverkan på konstruktioner vid lokal brand. Brandforsk har sedan tidigare finansierat ett projekt för att utvärdera lokal brandpåverkan på pelare vilket varit mycket betydelsefullt som ett första steg i den utvärdering som behövts. Detta projekt syftar till att gå ett steg till och ta fram metoder för att beräkna temperaturer längs takbalkar vid en lokal brand samt att validera dessa genom försök. Med en validerad termisk modell kan sedan den mekaniska responsen hos en stomme beräknas för att förutse dess bärande förmåga. Avsikten är att skapa en metod och utveckla en praxis för att dimensionera vid lokal brand och att ta fram underlag för att kunna reducera skyddsåtgärderna utan att göra avkall på säkerheten. En sådan metod kan ge stora besparingar, men den måste undersökas och valideras mot försök och bygga på vetenskapliga principer. SYFTE Syftet med projektet är att med teoretiska beräkningar och försök se hur gastemperaturer och strålning fördelar sig under ett tak vid en lokal brand. Detta för att sedan kunna utvärdera temperaturfördelningen över tid stommen och med hjälp därav beräkna hur stommen beter sig vid det tidiga brandförloppet. Avsikten är sedan att skapa en metod och utveckla en praxis för att

DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 2 (8) analytiskt dimensionera vid lokal brandpåvekan och att ta fram underlag för att kunna optimera skyddsåtgärderna utan att göra avkall på den erforderliga säkerheten. BAKGRUND Även bränder som inte går till övertändning kan i större brandceller vara så intensiva att de påtagligt reducerar den bärande förmågan hos pelare och balkar till följd av förhöjda temperaturer. Den ojämna temperaturfördelningen som blir vid en sådan lokal brand, med höga temperaturer i flamman och därefter, på högre höjder, drastiskt sjunkande temperaturer, ger temperaturer i pelare och balkar som kommer att variera kraftigt med avstånd från flammans centrumlinje och höjd över flammans bas. Rakt ovan flammorna blir temperaturerna höga för att sedan avta med avståndet från flammans centrumlinje. Detta kan påverka deformationen av de bärande konstruktionselementen såtillvida att oförutsägbara, med dagens kunskap, problem med stabilitet kan leda till kollaps som beror på konstruktionens detaljutformning. Detta kan beaktas vid dimensionering genom att analysera temperaturfördelning och omfördelning av laster. Det saknas dock teoretiska studier för typiska detaljer som används i Sverige och som är underbyggda av praktiska försök. Detta är en grundförutsättning för att skapa en trovärdig dimensioneringsmetod. I Eurokod och EKS (Europeisk Konstruktionsstandard) anges en förenklad modell för dimensionering som bygger på ett undantag som nämns första gången redan i SBN 67 [17]. Eftersom det saknas en vetenskaplig dimensioneringsmetod skapas stora skillnader vid projektering och utförande av i övrigt lika byggnader med stor frustration hos byggföretag som följd. Idén bakom undantaget bygger i grunden på dimensionering under det tidiga brandförloppet, då branden kan ses som lokal, kopplat till utrymning och räddningstjänsten säkerhet. Vid dimensionering av det tidiga brandförloppet i stora utrymmen finns möjlighet enligt Eurokod 1 (EN 1991-1-2, annex C) [1] att utnyttja beräkningar av flamtemperaturen vid en lokal brand. Till skillnad från en övertänd brand är då inte flamtemperaturen det enda avgörande för att beräkna värmeöverföringen till konstruktionen. De geometriska faktorerna, både avseende konstruktion och flammor, spelar stor roll. Strålning och konvektion är enkla att modellera vid en simulering, men vid praktiska försök är det svårt att mäta den infallande strålningen. Det har inneburit ett stort framsteg att man under senare år utvecklat tekniken vid SP att mäta med s.k. plattermometrar. På så sätt kan man mäta den effektiva temperaturen kallad adiabatisk yttemperatur [2-6]. Den beaktar inverkan av såväl strålning som konvektion och ger på så sett underlag för noggranna beräkningar av brandutsatta konstruktioners temperatur. Boverket/SP med hjälp av Brandskyddslaget/LTU/LTH arbetar med att skapa förutsättningar för enhetlig tolkning av det förenklade undantaget. Då det saknas tillämpbar kunskap, erfarenhet och trovärdiga metoder avseende analytisk dimensionering för typiskt svenska konstruktioner syftar den här studien, som är ett samarbete mellan SP, LTU och Fastec Sverige AB, till att utveckla dessa metoder för beräkning av temperatur och bärförmåga hos konstruktioner utsatta för lokal brand. Detta kommer sedan att jämföras mot försök, där värmeöverföringen analyseras baserad på verklig påverkan, genom strålning och konvektion uppmätt med plattermometrar, och inte bara på gastemperatur uppmätt med konventionella termoelement. När temperaturen kan mätas och modelleras för brandutsatta konstruktionselement kan den mekaniska responsen analyseras genom 2

DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 3 (8) numeriska beräkningar och man får då en vetenskapligt baserad uppskattning av konstruktionens beteende vid lokal brand. Detta är nästa steg i en serie försök där värmeöverföring till konstruktioner vid lokala bränder undersöks. Två tidigare studier [3, 5], båda finansierade av Brandforsk, har gett unika data från fullskaliga försök. Resultaten visar på vikten av att analysera de geometriska förutsättningarna för en lokal brand. Vid försök med en stålbalk i taket i ett mindre rum visades hur konvektion och strålning gav helt olika påverkan vid olika delar av konstruktioner. Trots detta kunde den termiska påverkan på balken förutsägas med mycket gott resultat genom att använda experimentella data uppmätt med plattermometrar. Ytterligare försök på en stor brand mot en pelare i ett stor lokal (motsvarande en industrilokal eller atrium) visade på mycket likartad påverkan från strålning och konvektion. Dessutom påvisades en avsevärt större skillnad i temperaturfördelningen längs pelaren än vad som kunde förutsägas från Eurokod. Denna kraftiga förändring i temperaturnivåer gör att omfördelning av de mekaniska lasterna blir möjligt vilket definitivt påverkar riskerna för kollaps. Referenser [1] Eurocode 1, Part 1-2: General Actions - Actions on structures exposed to fire, EN1991-1-2, Brussels: European Committee for Standardization, CEN, 2002. [2] H. Ingason och U. Wickström, Measuring incident radiant heat flux using the plate thermometer, Fire safety Journal, vol. 42, pp. 161-166, 2007. [3] U. Wickström, R. Jansson och H. Touvinen, Experiments and theory on heat transfer and temperature analysis of fire exposed steel beams, SP Report 2009:19, Borås, 2009. [4] U. Wickström, A. Robbins och G. Baker, The Use Of Adiabatic Surface Temperature To Design Structures For Fire Exposure, Journal of Structural Fire Engineering, vol. 2, 2011. [5] J. Sjöstrand, A. Byström och U. Wickström, Large scale test on thermal exposure to steel column exposed to pool fires, SP Report 2012:04, Borås, 2012. [6] L. Simões da Silva och et al, COMPFIRE - Design of joints to composite columns for improved fire robustness, Research Fund for Coal and Steel, Mid-term Technical Implementation Report, Technical Report No 2, Grant agreement no RFSR-CT-2009-00021, European Commission, Brussels, 2011. [7] L. Simões da Silva och et al, COMPFIRE - Design of joints to composite columns for improved fire robustness, Deliverable D3 - Report on simplified structural behaviour of components, Research Fund for Coal and Steel, Grant agreement no RFSR-CT-2009-00021, European Commission, Brussels, 2012. [8] X. Cheng och M. Veljkovic, FDS simulation of two full scale fire experiments in Cezch Republic, Background document of Compfire project, Luleå, 2012. [9] T. Heistermann och et al, Reverse Channel Connections at Elevated Temperature - Finite Element Modelling, i Conference Proceedings - Eurosteel 2011 6th European Conference on Steel and Composite Structures, Budapest, 2011. [10] N. Iqbal och et al, Numerical Simulation fo Steel-Concrete Composite Joints at Elevated temperature - Results of on-going Compfire project, i Presentation at Structures in Fire Forum 3

DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 4 (8) (STIFF), London, 2011. [11] G. Sedin och J. Thor, Fire Risk Evaluation and Cost Benefit of Fire Protective Measures in Industrial Buildings, Stockholm: SBI, 1979. [12] G. Sedin och J. Thor, Basic Information from an Investigation of Industrial Fires, Stockholm: SBI, 1978. [13] U. Wickström, Heat Transfer in Fire Technology, Draft, February, Borås, 2012. [14] NR, Boverkets Nybyggnadsregler (Föreskrifter och allmänna råd) BFS 1988:18, Stockholm: Boverket, 1989. [15] BBR 94, Boverkets byggregler, BFS 1993:57, Karlskrona: Boverket, 1994. [16] EKS 8, Boverkets föreskrifter och allmänna råd om tillämpning av europeiska konstruktionsstandarder (eurocoder), BFS 2011:10, Karlskrona: Boverket, 2011. GENOMFÖRANDE Projektet består av tre huvudsakliga moment: Beräkning av temperatur Genom att använda FDS (Fire Dynamics Simulator) och analytiska metoder kommer spridningen av heta gaser i en brandplym och längs tak att beräknas för några olika bränder i en stor typisk konstruktion med stålbalkar i taket. Så kallade adiabatiska yttemperaturer kommer då att beräknas med FDS enligt en metod som tagits fram av Joakim Sandström (deltagare i projektet). Baserat på dessa temperaturer kommer värmeöverföringen till takbalkar och temperaturfördelningen i dessa sedan att beräknas med Finita Elementmetoden med programmen Abaqus och TASEF. Validering genom försök Försök i reducerad skala utan balk kommer att göras för att kunna utvärdera Eurokodernas beräkningsmodell för termisk påverkan genom strålning och konvektion på tak och eventuella takbalkar med olika avstånd från brandhärden. 4

DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 5 (8) Figur 1 Preliminär försöksuppställning. Som avslutning kommer en fackverksbalk i reducerad skala att utsättas för lokal brand i SP Brandtekniks brandhall helt enligt den modell som simulerades i föregående moment. Instrumenteringen inkluderar mätning av värmepåverkan på konstruktionen genom plattermometrar och termoelement, värmeutveckling från branden samt temperaturfördelningen på stålbalkarna. Figur 2 Slutgiltig försöksuppställning. Beräkning av krafter och eventuell kollaps Då vi har en simuleringsmodell över den termiska påverkan som stämts av gentemot försök kommer vi kunna beräkna omfördelning av krafter, uppkomst av deformationer och kollaps av konstruktionen för olika brandscenarion. Även dessa beräkningar kommer också att utföras med FEM. Två olika FEM-baserade program kommer att användas: Abaqus (huvudsakligen används av forskare) och Vulcan som är lämplig för ingenjörer specialiserade för beräkningar av konstruktioner utsatta för brand. De kommer att ge underlag för att bestämma villkor och mekanismer för kollaps. Resultaten från beräkningar kommer att jämföras med ett fullskaligt brandförsök utfört på ett tvåvåningshus i Tjeckien 2011 [11], Dessa resultatet ska sedan jämföras med handberäkningsmodeller för konstruktioners bärförmåga enligt Eurokod. Baserad på en parametrisk studie (variation av brandscenarier och grundläggande konstruktionsvariabler) kommer vi att ge rekommendationer för hur bärförmågan vid lokal brandpåverkan skall beräknas. 5

TIDSPLAN Projektet kommer att starta under våren 2014 och pågå under två år. PROJEKTDELTAGARE DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 6 (8) Projektgruppen består av följande deltagare från Luleå tekniska universitet (LTU), SP- Sveriges Tekniska Forskningsinstitut (SP) och Brandskyddslaget (BSL): Ulf Wickström Professor Projektledare SP - Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, och Luleå tekniska universitet Milan Veljkovic Professor Handledare Luleå tekniska universitet Johan Sjöström Tekn. Dr. Forskare SP Joakim Sandström Civ. ing. Doktorand Brandskyddslaget, och Luleå tekniska universitet Naveed Iqbal Tekn. lic. Doktorand Luleå tekniska universitet Johan Sundelin Civ. ing. Industripart Fastec Sverige AB Ulf Wickström är professor vid Luleå tekniska universitet (55 %) och senior forskare vid SP Sveriges Tekniska forskningsinstitut (45 %). Mellan 1986 och 2010 var han enhetschef för Brandlaboratoriet vid SP. Han kommer att ansvara för handledning av termiska beräkningar. Milan Veljkovic är professor vid Luleå tekniska universitet och ansvarig för brandingenjörsutbildningar vid LTU. Deltar i utvecklingen av Eurokoder inom SIS/TK188 och SIS/TK203, samt inom CEN/TC250/SC3 och CEN/TC250/SC4. Han kommer att ansvara för handledning av hållfasthetsberäkningar. Johan Sjöström är forskare inom brand och konstruktion på SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut med tidigare erfarenhet från fullskaliga brandförsök. Han kommer att vara ansvarig för det experimentella arbetet på SP. Joakim Sandström kommer att vara ansvarig för beräkningarna av brandtemperaturer och temperaturfördelning i olika tvärsnitt och jämförelse mot temperaturresultat från tidigare studier. Joakim har omfattande erfarenheter av sådana beräkningar och anknytning till konsultbranschen. Naveed Iqbal kommer att vara ansvarig för hållfasthetsberäkningar och jämförelse mot hållfasthetsresultat från tidigare studier. Johan Sundelin är verksamhetsutvecklare för Fastec Sverige AB. 6

REFERENSGRUPP DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 7 (8) Projektet kopplas till en referensgrupp som utses i samråd med Brandforsk. BUDGET Milan Veljkovic, LTU 75 996 74 700 Johan Sjöström, SP 100 1 090 109 000 Joakim Sandström, LTU 600 435 261 000 Naveed Iqbal, LTU 600 419 251 400 Johan Sundelin, Fastec 40 650 26 000 Totalt lönekostnader 770 475 Brandförsök 700 000 Material 70 000 Resor, konferensavgifter 50 000 Totalt 1 590 475 Av de totala kostnaderna härrör 685 475 från LTU, 629 000 från SP och 276 000 från Fastec. Fastec Sverige AB bistår i projektet med de kostnader som härrör från dem. Övriga erhållna medel kommer att fördelas mellan LTU och SP enligt ovan om inget annat överenskoms. Fastecs representant kommer att delta i diskussionen om urval av konstruktionselement och detaljer som ska analyseras. RAPPORTERING Resultatet kommer att rapporteras i en gemensam rapport från LTU, SP, Brandskyddslaget och Fastec Sverige AB, och kommer att vara tillgänglig på internet. Resultaten kommer också att publiceras i en eller flera journalartiklar och på en eller flera konferenser. Minst en workshop för att informera intressenter om projektresultaten planeras på slutet av projektet. Resultaten kommer också att presenteras för SIS/TK203 som är den arbetsgrupp som följer utvecklingen av Eurocode. PRAKTISK ANVÄNDNING OCH FRAMTIDSUTSIKTER Avsikten är att skapa en metod och utveckla en praxis för att dimensionera vid lokal brand. Sannolikt går det att reducera skyddsåtgärderna utan att göra avkall på säkerheten med mer nyanserade analysverktyg. En sådan metod kan ge stora besparingar för entreprenörer i byggbranschen, men den måste undersökas och valideras mot försök och bygga på vetenskapliga principer. 7

MÅLGRUPP DATUM BETECKNING SIDNUMMER 2013-09-05 Projektansökan 8 (8) De främsta målgrupperna för detta projekt är i förlängningen verksamma brandingenjörer och konstruktörer, men även kravställande myndigheter mm. PÅVERKAN PÅ REGLER, BESTÄMMELSER M.M. Projektet kommer att analysera möjligheten att påverka regelverket kring dimensionering vid lokal kollaps och på så sätt skapa en mer enhetlig grund för dimensionering enligt det undantag som finns specificerat i dagens regelverk. 8