Betongfylte_stalsoyler.pdf

Betongfyllda stålpelare –dimensionering med hänsyntill brandSamverkanskonstruktioner av stål och betong –BrandEurokod 4, del 1-2Peter KarlströmStålbyggnadsinstitutetBild 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 VerkstädernasRiksförbund•Plåtslageriernas Riksförbund•Svenska Färgfabrikanters Förening•The Steel Construction InstituteBild nr 2 2004-08-24

Eurokod 4 – EN 1994• Dimensionering avsamverkanskonstruktioner i stål och betong– Del 1-1, Allmänna reglerför byggnader– Del 1-2, Brandtekniskdimensionering– Del 2, BroarBild nr 3 2004-08-24

EN 1994-1-2• Brandteknisk dimensionering avsamverkanskonstruktioner i ståloch betong• Passiva metoder för brandskydd• Kan tillämpas för konstruktionersom ska uppfylla krav på:– Bärförmåga– Begränsning av spridning av brand(avskiljande funktion)• Ej förspändabetongkonstruktioner(prestressed concrete parts)Bild nr 4 2004-08-24

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

Grundläggande krav• Dimensioneras för att uppfyllasin lastbärande funktionunder relevantbrandexponering• Nominella brandförlopp– Standardbrandkurvan (tillexempel R60, R90)– Utvändiga brandkurvan(External fire exposure)– Kolvätekurvan (Hydrocarbonefire exposure)• Parameterberoendebrandförlopp– Brandförlopp som tar hänsyn tillbrandens ”verkliga” beteende,Bild nr 6 2004-08-24inklusive avsvalningsfas

Laster (Actions)• Enligt EN 1991-1-2– TemperaturpåverkanBild nr 7 2004-08-24– Mekanisk last• Deformationer pågrund avtemperaturändringar• Tvångskrafter• Laster från”normaltemperatur”

Materialegenskaper – Brand• Temperaturberoende• Termiska och mekaniska egenskaper• Reducerade värden på hållfastheten ochelasticitetsmodulenBild nr 8 2004-08-24

Mekaniska egenskaper• Mekaniska egenskaper vid normaltemperatur för betong och armering enligtEN 1992-1-1• Mekaniska egenskaper vid normaltemperatur för stål enligt EN 1993-1-1• Mekaniska egenskaper vid förhöjdatemperaturer (brand) enligt EN 1994-1-2Bild nr 9 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – Stål• Spännings-töjningssambandet (stress-strainrelationship) för stål vid förhöjda temperaturerges av:Bild nr 10 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – StålBild nr 11 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – StålBild nr 12 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – Betong• Spännings-töjningssambandet för betong vidförhöjda temperaturer ges av:Bild nr 13 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – BetongBild nr 14 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – Armering• Spännings-töjningssambandet för armeringvid förhöjda temperaturer är samma somför vanligt konstruktionsstål• Reduktionsfaktorerna skiljer sig frånvanliga konstruktionsstål – kallbearbetatstålBild nr 15 2004-08-24

Mekaniska egenskaper – ArmeringBild 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 brandkan göras med någon av metoderna :– Vedertagna färdiga lösningar (tabelleradedata)– Förenklade beräkningsmodeller– Avancerade beräkningsmodeller• Pelare utsatta för brand antas uppvärmaslikformigt runt om och längs efter pelarenBild nr 19 2004-08-24

Tabellerade data• Gäller endast under påverkan avstandardbrand (ISO 834)• Beror på utnyttjandegraden (load level)• Interpolering är tillåtetBild nr 20 2004-08-24

Tabellerade data• Betongfyllda stålpelare kan klassificerasefter:– Utnyttjandegrad (η fi )– Tvärsnittsmått (b, h eller d)– Armeringsinnehåll (A s )– Täckande betongskikt för armeringsstängerna(u s )• Värden gäller för armeringssort S500Bild nr 21 2004-08-24

Tabellerade dataBild nr 22 2004-08-24

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

Förenklad beräkningsmodell• Tryckkraftsbärförmågan(axial compressionresistance)• Reduktionskoefficientpå grund avknäckning enligt EN1993-1-1(bucklingskurva c)Bild nr 24 2004-08-24

Förenklad beräkningsmodell• Plastisk bärförmåga vid normalkraft• Effektiv böjstyvhetBild nr 25 2004-08-24

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

Kritisk last och slankhetstal• Eulerknäckning• SlankhetstalBild nr 27 2004-08-24

Bild nr 28 2004-08-24Knäckningslängd (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 – Förenkladberäkningsmodell (www.cidect.com)Bild nr 29 2004-08-24

Beräkningsexempel• Beräkna bärförmågan efter 90 minuterstandardbrandpåverkan• Förutsättningar:– Samverkanspelare – Armerat, betongfylltstålrör– Längd 3,8 m– Ståltvärsnitt: CHS 323,9 x 10 – S 355N– Armering: 7 st φ 20 mm, B500B– Betong: C30/37– Centrisk lastBild nr 30 2004-08-24

Brandteknisk dimensionering• Brandklass R90• Brandbelastning: Standardbrandkurva ISO834Standardbrandkurvan12001000Standardbrandkurva800Temperatur [ºC]60040020000 10 20 30 40 50 60 70 80 90Tid [min]Bild nr 31 2004-08-24

Temperaturberäkning• FEM beräkningar för temperaturfördelningBild nr 32 2004-08-24

TemperaturberäkningLaye Temperaturr1e122°C2 136°C3 175°C4 240°C5 328°C6 447°C7 610°C8 833°CSteel964°CBild nr 33 2004-08-24

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

Dimensionerande bärförmåga• Dimensioneringsvärde, bärförmåga vid brand enligt EN1994-1-2:N= χNfi. Rd fiplRd . .χ is the reduction factor for bucklingcurve c according to EN 1993-1-1• Plastisk bärförmåga kan bestämmas ur:∑ ∑ ∑( ) ( ) ( )N = A f / γ + A f / γ + A f / γfi. pl. Rd a. θ a.max. θ M. fi. a s. θ s.max. θ M. fi. s c. θ c. θ M. fi.cN fi . pl . Rdis 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. effa. θ a. θ a. θ s. θ s. θ s. θ c. θ c.sec. θ c.θl θis the buckling length of the column in the fire situationBild 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 kNBild nr 36 2004-08-24

Effektiv böjstyvhetϕϕϕ• Addera bidragen frånvarje del med reduceradevärden påelasticitetsmoduleni.θc.θs.θa.θis the reduction coefficient depending on the effect of thermal stresses= 0,8= 0,8ϕ = 0,9( EI )fi.eff:π 4 4 90,9⋅11130⋅ ( 324 − 304 ) = 1219⋅10 (Steel)64π 4 4 90,8⋅148⋅ ( 304 − 266 ) = 20,54⋅10 (Concrete)64π 4 4 90,8⋅504⋅ ( 266 − 228 ) = 45,60⋅1064π 4 4 90,8⋅1595⋅ ( 228 − 190 ) = 87,63⋅1064π 4 4 90,8⋅3036⋅ ( 190 − 152 ) = 91,73⋅1064π 4 490,8⋅4328⋅ ( 152 −114) = 62,02⋅1064π 4 4 90,8⋅5444⋅ ( 114 − 76 ) = 28,98⋅1064π 4 4 90,8⋅6388⋅ ( 76 − 38 ) = 7,85⋅1064π 4 4 90,8⋅6697⋅ ( 38 − 0 ) = 0,55⋅106490,8⋅97000⋅ 11475842 = 890,5⋅10 (Reinforcement)Bild nr 37 2004-08-24

Bärförmåga• Kritisk last:2 9π 2439,8⋅10= = 1667,6 kN3800N fi . cr2• Dimensionerande bärförmåga enligt EN 1994-1-2:32253⋅10λ = = 1,1631668⋅10( ( ) ) ( )( )φ = + α λ− + λ = + − + =2 20,5 1 0, 2 0,5 1 0, 49 1,16 0, 2 1,16 1, 411χ = = 0, 452 2φ + φ −λN fi . Rd= 0, 45⋅ 2253 = 1014 kNBild nr 38 2004-08-24

Sammanfattning• Enkla regler finns för att bestämmabärförmågan vid förhöjda temperaturer• Tillåter nyanserade beräkningar därhänsyn kan tas till temperaturfördelningen itvärsnittet• Eurokoderna innebär bättre möjligheter förstål att konkurrera med andra materialBild nr 39 2004-08-24

Tack för er uppmärksamhet!Peter Karlströmpeter@sbi.seBild nr 40 2004-08-24