Brannsikre bygg (6) Detaljprosjektering Bærende og skillende bygningsdeler Del I: Generelt Del II: Mur og betong Del III: Stål og aluminium Nils E. Forsén, Multiconsult Del I: Generelt 2 Historien om brannmotstand Alltid en viktig konkurransefaktor for valg av konstruksjonsmaterialer Historisk: Murtvangen innført for å begrense bybranner i trebyer Mur og betong som konstruksjonsmaterialer var tidligere gunstig for bestemmelse av forsikringspremier Fra åttitallet lempninger for enkelte typer bygg gunstigere for stål og trekonstruksjoner - dessuten utvikling innen brannbeskyttelse av stål Fra 1997 sterk dreining mot funksjonsbaserte forskrifter brannmotstand som ytelse hovedsakelig plassert på veiledningsnivå (brannvegg dog angitt med 120 minutters brannmotstand men dette er fjernet i TEK 10 der angis motstand mot fullstendig brannforløp som krav) I Eurokodene er samlet resultatet av flere tiårs forskning og teknisk diplomati i form av både enkle og avanserte branntekniske dimensjoneringsmetoder for mur-, betong-, stål-, aluminium- og trekonstruksjoner Brannteknisk dimensjonering er primært et RIB-ansvar, der resultatet er viktig for detaljering og geometrisk kontroll. 3 1
Bærende og skillende Bærende R Skillende E og I E integritet (f.eks glass E 30) I isolerende (alltid i i kombinasjon med E) Ikke bærende vegg EI, f.eks EI 60 Bærende og skillende REI, f.eks REI 60 Mekanisk motstandsevne M Seksjoneringsvegg, brannvegg, f.eks REI 120-M 4 R - Bæreevne - Resistance E - Flamme- og røykstoppende IntEgrety I - Isolerende - Insulation REI? EI R REI 02.01.2013 5 nef Brannteknisk oppdeling Brannstrategisk hierarki, relatert til scenarioer: Branncelle (typisk, 15, 30 eller 60 minutter standard brannmotstand) Brannseksjon (typisk 120 minutter standard brannmotstand) Skille mellom byggverk brannvegg (typisk 120 minutter standard brannmotstand eller avstand > 8 meter) Prosjekteringsmessig hierarki: Skille mellom byggverk Seksjonering (maks areal) Branncelleoppdeling NB Rømningskonsept alltid avgjørende! 6 2
Brannseksjon Brannseksjon Branncelle Branncelle Branncelle Branncelle, Rømningsvei Branncelle Branncelle, Rømningsvei Branncelle Branncelle EI60 REIM 120 - Seksjoneringsvegg 02.01.2013 7 nef GK 3 Høst 2012 Brannseksjon Brannseksjon Branncelle Branncelle Branncelle Branncelle, Rømningsvei Branncelle Branncelle, Rømningsvei Branncelle Branncelle EI60 REIM 120 - Seksjoneringsvegg 02.01.2013 8 nef GK 3 Høst 2012 Byggverk Byggverk REIM 120 - Brannvegg 02.01.2013 9 nef GK 3 Høst 2012 3
Fenomenet brann i bygg temperatur initieringsfasen: utvikling av røyk og varme overtenning avkjøling tid nef 10pbl01 OH nr. 10 Respons temperatur Brannmotstand Kledning, overflater Bevaring av bæreevne og stabilitet tid nef 11pbl01 OH nr. 11 Scenarier temperatur Etablert brann Varsling Rømning Lokal sammenstyrtning, evt. spredning til flere brannceller Evt. tap av hele bygningen tid 12 4
Prinsippdiagram konstruksjonsrespons ved brann Last, Spenning, Påkjenning Lastnivå ved brann Konstruksjonsrespons ved høy temperatur Forskyvning, tøyning 13 14 15 5
Regelverksystemet Lov Forskrift Politisk nivå Forskriftsveiledning VL Markedet Godkj.ordninger Sertifisering EOTA etc. NS-merking CE-merking Standard NS NS-EN Teknisk nivå --------------------Anvisninger 16 Prinsippdiagram konstruksjonsrespons ved brann som funksjon av tid Kapasitet Kapasitetsutvikling ved brann Sammenstyrtning!! Lastnivå ved brann Brannmotstand i minutter Tid 17 Byggverk i brannklasse 1 og 2 Skal dimensjoneres for å kunne bevare bæreevne og stabilitet i minimum den tiden som er nødvendig for å rømme og redde personer i og på byggverket 18 6
Byggverk i brannklasse 3 og 4 Bærende hovedsystem skal dimensjoneres for å kunne bevare sin stabilitet og bæreevne gjennom et fullstendig brannforløp, slik dette kan modelleres 19 20 NS-EN 1991-1-2 Temperatur-tid kurver Standard temperatur-tid kurve Ekstern temperatur tid kurve Hydrokarbonbrann temperatur-tid kurve 20 345log10(8t 1) Parametrisk brannkurve: Appendiks B Gamma-fire g 660(1 0,687e g 1080(1 0,325e g 0,32t 0,167t 0,313e 0,675e 3,8 2,5t t ) 20 ) 20 Side: 21 21 7
NS-EN 1991-1-2 Prinsipper for beregning av termisk last i W/m2 Stråling:. 4 8 4 hnet, r res5,67 10 r 273 m 273 Konveksjon:. h net, c ( ) c g Nominell varmefluks (stråling + konveksjon):... h net, d n, c h net, c n, r h net, r m Side: 22 22 NS-EN 1991-1-2 Temperatur ( C) 1200 1000 800 600 400 HC - fire ISO 834 - fire External fire curve 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Tid (minutter) Side: 23 23 Fra NS EN 1990 6.4 Bruddgrensetilstander 6.4.3 Lastkombinasjoner (omfatter ikke påvisning av utmatting) 6.4.3.3 Lastkombinasjoner for dimensjonerende ulykkessituasjoner Ulykke HERUNDER BRANN: Fastsettelse av lastsituasjonen ved brannutbrudd Accidental action 24 8
25 26 Del II: Mur og betong 27 9
Betong og mur 28 29 Bærende vegg i murverk iht norsk NAD (lav slankhet moderat utnyttelse) 30 REI 120 M 10
Kilde: www.vbg.de Sitat VTEK 10 31 Prøven som bokstavelig talt knekker enhver gipsveggs håp om å bli en brannvegg NS-EN 1363-2:1999 3 slag innen fem minutter etter 32 Ikke-bærende teglvegg EI EI 60 33 11
Betong og brann 34 NS-EN 1992-1-2 ISO-kurven Standard brannmotstand Normalt brukes denne 35 NS-EN 1992-1-2 Mekaniske og termiske/fysiske data for betong og stål 36 12
Metoder 37 Tabulerte data: Den tradisjonelle metoden Et delt Europa: To metoder for søyler Flatdekker! 38 Høyfast betong (HSC): B65 og oppover (B95 i hht NA) Eget tabellverk for HSC 39 13
Tilleggene. Nyttig NB! 40 Temperaturutvikling i bjelketverrsnitt bxh=350x600mm standardbrann Riva, Franssen Structural Concrete Fib, Mars 2008 41 Fokus på Søyler Flatdekker 42 14
Materialfaktorer for betong Brann: 1,0 ihht EK2-1-2, NA 43 Axis distance = armeringsdybde 44 Når vi har flere lag 45 15
Søyler metode B 46 47 Mrk: En R 120-søyle kommer gjerne opp i en dimensjon på over 400mm hvis den ikke er lavt utnyttet 48 16
Fra norsk NAD: 49 Flatdekker=flat slabs: REI90, REI 120 oppnås enkelt 50 Del III: Stål og aluminium 51 17
52 53 54 18
Eksempel på. 55 Nyttig fra ECCS 56 STÅL OG BRANN: ANSVAR TYPISKE GRENSESNITT Brannstrategi RIBr R15,30,60 osv. ( g (t)) Dokumentasjon bæreevne RIB E fi, d R fi, d ( C) Ståltemperatur a Leveandør Isolerings-system dokumentasjon, (mm) 57 19
58 59 60 20
Stålkonstruksjoner i hht ENV 1993-1-2 Nyansert mht tøyningsnivåer for ulike konstruksjonsdeler (slanke/ikke-slanke) Søyler Reduksjonsfaktor kapasitet 1,2 Må regne ugunstigste knekningskurve ved brann uansett profil Kan regne innspenning til kalde soner Side: 61 61 Arbeidsdiagram: 62 Side: 62 Historisk.1983-1993 63 Side: 63 21
De samme kurvene 20 år etter..ingen endring 64 65 66 22
67 68 69 23
70 Brannteknisk dimensjonering typisk prosess Brannstrateg RIBr fastsetter krav til brannmotstand, f.eks R 90 for hovedbæresystem f.eks søyler Byggeteknisk rådgiver RIB beregner konstruksjonen i ulykkessituasjonen brann og finner kritisk temperatur for konstruksjonen/konstruksjonselementet, f.eks 550 C Kombinasjonen brannmotstand/kritisk temperatur gir nødvendig tykkelse av et isolasjonsprodukt (f.eks R90/550C gir 25 mm av et plateprodukt i hht godkjent dokumentasjon) 71 Noen vanlige forenklinger RIB regner ikke konstruksjonen spesielt for brann men angir 500 C som default kritisk temperatur Det antas samme temperatur i hele konstruksjonselementet ved en gitt tid (prinsippet om «lumped mass» - dette er en fornuftig forenkling i de fleste tilfelle) 72 24
Det kan gjøres enkelt 73 74 75 25
76 77 Viktig å merke seg for lette ståltak Konstruksjonen bør regnes nyansert fordi det gis anledning til en svært stor reduksjon av snølasten (med 80% (enn så lenge )) Dette gir høy kritisk temperatur og dermed mulighet for å spare mht brannbeskyttelse 78 26
Sikkerhet i forhold til karakteristisk last 50-årslast 79 Sikkerhet ved brann 20% av 50-årslast (!) 80 EUROCODES Background and Applications Brussels, 18-20 February 2008 Dissemination of information workshop 81 Structural Fire Design of Aluminium Structures according to Eurocode 9 Part 1-2 Nils E. FORSÉN Multiconsult AS, Norway Secretary CEN TC 250 / SC 9 1992-2007 and member of the ENV PT for structural fire design of aluminium structures 27
Acknowledgements: Leen Twilt (Convenor), the Netherlands Steinar Lundberg (Technical Secretary), Norway As main contributors in preparing EC9 1.2 82 Aluminium structures and fire: Most aluminium alloys have lost about 50% of their original strength at about 180-250 C Aluminium alloys melt at about 580-660 C Aluminium alloy structures with a fire resistance requirement will have to be insulated The insulation represents a main part of the fire resistance concept Aluminium structures can also be used unprotected when appropriate in a fire safety strategy, e.g. checked for radiation from a flare boom 83 Fire rated aluminium structures: Well known in the off-shore industry, e.g. living quarters with R60/REI60 H120 structures/partitions Less common in the building market, however housing structures with R15 R30 protected aluminium structural elements have been conceived Unprotected aluminium structures are set to R0 84 28
85 Flare boom 86 EC 9 Part 1.2 provide Mechanical and thermal properties for aluminium alloys at elevated temperatures Methodology for structural fire design in line with EC3 Part 1.2, differing from this however in that EC 9 give strength data for a variety of alloys Non-linear stress strain relationships are not given E.g. design procedure less comprehensive compared to what is possible for steel structures 87 29
Comments received after ENV-period Respondents: 2 countries only, Finland and Sweden Total number 32, editorial 7, technical 25 Treated by PT in the conversion period Further improvements/updating introduced by the PT (Twilt/Lundberg) Editorial changes introduced by the editing panel in the final stage 88 MATERIAL PROPERTIES - MECHANICAL For thermal exposure up to 2 hours, the 0,2 % proof strength at elevated temperature of the aluminum alloys follows from: f o, = k o, f o where f o,θ is 0,2 proof strength at elevated temperature f o is 0,2 proof strength at room temperature according to EN 1999-1-1. 89 Ratios k o, for aluminium alloys at elevated temperature for up to 2 hours thermal exposure period Alloy Temper Aluminium alloy temperature C 20 100 150 200 250 300 350 550 EN AW-3004 H34 1,00 1,00 0,98 0,57 0,31 0,19 0,13 0 EN AW-5005 O 1,00 1,00 1,00 1,00 0,82 0,58 0,39 0 EN AW-5005 H141) 1,00 0,93 0,87 0,66 0,37 0,19 0,10 0 EN AW-5052 H342) 1,00 1,00 0,92 0,52 0,29 0,20 0,12 0 EN AW-5083 O 1,00 1,00 0,98 0,90 0,75 0,40 0,22 0 EN AW-5083 H123) 1,00 1,00 0,80 0,60 0,31 0,16 0,10 0 EN AW-5454 O 1,00 1,00 0,96 0,88 0,50 0,32 0,21 0 EN AW-5454 H34 1,00 1,00 0,85 0,58 0,34 0,24 0,15 0 EN AW-6061 T6 1,00 0,95 0,91 0,79 0,55 0,31 0,10 0 EN AW-6063 T5 1,00 0,92 0,87 0,76 0,49 0,29 0,14 0 EN AW-6063 T64) 1,00 0,91 0,84 0,71 0,38 0,19 0,09 0 EN AW-6082 T45) 1,00 1,00 0,84 0,77 0,77 0,34 0,19 0 EN AW-6082 T6 1,00 0,90 0,79 0,65 0,38 0,20 0,11 0 90 1)The values may be applied also for temper H24/H34/H12/H32 2)The values may be applied also for temper H12/H22/H32 3)The values may be applied also for temper H22/H32 4)The values may be applied also for EN AW-6060 T6 and T66 5)The values do not include an increase in strength due to aging effects. It is recommended to ignore such effects. 30
Lower limits of the 0,2% proof strength ratios k o, for aluminium alloys at elevated temperature for up to 2 hours thermal exposure period Aluminium alloy temperature C 20 100 150 200 250 300 350 550 Lower limit values 1,00 0,90 0,75 0,50 0,23 0,11 0,06 0 91 Modulus of elasticity of aluminium alloys at elevated temperature for a two hour thermal exposure period, E al, Aluminium alloy temperature, ( C) Modulus of elasticity, E al, (N/mm²) 20 70 000 50 69 300 100 67 900 150 65 100 200 60 200 250 54 600 300 47 600 350 37 800 400 28 000 550 0 92 1,0 E al, 0,9 E al 0,8 k o, 0,7 E 0,6 0,5 0,4 0,3 3004-H34 6082-T4 6082-T6 6063-T6 6063-T5 6061-T6 0,2 0,1 0 0 100 200 300 400 500 al / C 93 31
The N27 document is available at this work shop Refers international test data Summarizes the main background for the strength data given in EC 9 Part 1.2 94 OBSERVE THAT Strength data are based on the 0,2 proof stress - only Modulus of elasticity is given the same temperature dependent reduction factor for all alloys No stress-strain relationships are given for the plastic range The modulus of elasticity in the critical temperature range is relatively less reduced compared to the strength reduction High temperature creep is not explicitly given 95 MATERIAL PROPERTIES - THERMAL Thermal strain 96 Compare: Aluminium at 200 C: 0,0044, steel at 500 C: 0,00675, also: Elasticity modulus less than for steel restraint loads correspondingly less 32
Specific heat 1200 c al / (J/kg C) 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 300 400 al / C 500 97 Thermal capacity in comparison.. aluminium 98 Conductivity in comparison 250 200 W/m K 150 100 Steel Alum inium 50 0 20 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperature C 99 33
OBSERVE THAT Aluminium has a conductivity significantly higher than that of steel beneficial wrt distribution of heat input The heat capacity (per m 3 ) is somewhat lower compared to that of steel, however, looking at given structures (aluminium vs steel) with the same function, the heat capacity is about the same because deflection control often governs the design for an aluminium structure. 100 The non-linear transient thermal analysis Solution of Fourier's equation by FEM Thermal properties of insulation product more significant than those of aluminium (c( ), ( )) wrt results Example: I beam insulated with 100mm Rockwool 110kg/m3 101 102 34
Fire protection materials The properties and performance of fire protection materials used in design should be assessed as to verify that the fire protection remains coherent and cohesive to its support throughout the relevant fire exposure. The verification of the properties of protection materials is generally performed by tests. Presently there are no European standard for testing of such materials in connection with aluminium structures. An illustration of such test applicable to fire protected steel structures is given in ENV 13381-4. 103 Observe For fire protected structures the integrity of the insulation system is theoretically less challenged as long as the strain levels are kept at a moderate level (as for aluminium, provided that high temperature creep does not become significant) throughout the fire exposure 104 Structural fire design E fi,d R fi,d,t Tension members and beams: Straigth forward Columns: Reduction factor 1,2 to take account of high temperature creep 105 35
Classification of cross-sections In a fire design situation, cross-sections may be classified as for normal temperature design according to 6.1.4 in EN 1999-1-1. This rule is based on the same relative drop in the 0,2 % proof strength and modulus of elasticity. If the actual drop in modulus of elasticity is taken into account according to Figure 2, the classification of the section changes, and a larger capacity value of the section can be calculated. The National Annex may give provisions to take this into account. Confer Background document N26 106 RESISTANCE Tension members N fi,t,rd = A i k o,,i f o / M,fi or N fi,,rd = k o, N Rd ( Mx / M,fi ) Beams M fi,t,rd = A i z i k o,,i f o / M,fi or M fi,t,rd = k o, max M Rd ( Mx / M,fi ) (accordingly for torsional bending and shear) Columns N b,fi,t,rd = k o,,max N b,rd ( M1 /1,2 M,fi ) Factor 1,2; Creep Note also possible to reduce buckling length, as in EC 3 Part 1.2, the same method is given 107 Furthermore: Lumped mass method for temperature calculation as for steel, for unprotected (moderate radiation) and protected (verified test data needed) aluminium structures, (now FEM is more suited, competitive) Advanced calculation methods only mentioned by principle, must be based on comprehensive studies and verified material models Heat transfer to external structural aluminium members: Material independent (ex emissivity) steadystate model as for steel 108 36
Summary - EC9 Part 1.2 offers a pragmatic and practical approach to design for fire resistance of aluminium structures - The protection system represents a main part of the fire resistance concept - Approved and verified thermal data c( ), ( ) for use with FEM are needed from the fire insulation industry - Integrity of protection systems can be verified only through reference to tests 109 Refer also http://www.eaa.net/eaa/education/talat/lectures/250 2.pdf, THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 110 37