III. Secretariaat: ir. P. Bloklandhuis, Postbus 420, 2800 AK Gouda, te!.:

Transcriptie

1

2 III De CUR is een stichting die zich bezighoudt met het co6rdineren van onderzoek en die aan de hand daarvan regels opstelt op het gehele terrein van de civiele techniek, met uitzondering van de wegenbouw. Oat betreft dus de waterbouw, de utiliteitsbouw en de woningbouw. Het hoofddoel van de CUR is het bevorderen van kennis en kunde op de genoemde gebieden en het overdragen van die kennis en kunde, mede gericht op versterking van het Nederlandse bedrijfsleven. De CUR doet dit in nauwe samenwerking met overheid, bedrijfsleven, onderzoekinstituten en onderwijs. De CUR tracht haar doel te bereiken onder meer door: - het instellen van onderzoek- en voorschriftencommissies; - het doen uitvoeren van onderzoek; - kennisoverdracht; - het bevorderen dat voorschriften erkenning vinden; - het samenwerken in internationaal verband. Secretariaat: ir. P. Bloklandhuis, Postbus 420, 2800 AK Gouda, te!.: Het Staalbouwkundig Genootschap is de vereniging van belangstellenden in de techniek van de staalbouw uit alle betrokken geledingen, zoals de industrie, de advies- en ontwerpbureaus, het onderwijs, de overheid en de onderzoekinstituten. Het Staalbouwkundig Genootschap realiseert haar doelstellingen, te weten kennisoverdracht, kennisvergroting en technische belangenbehartiging, onder meer door: - het organiseren van voordrachten over en excursies naar interessante projecten; - het uitgeven van publikaties, researchrapporten en richtlijnen; - het organiseren van cursussen, congressen, symposia en vergaderingen; - het bevordereri van wetenschappelijk onderzoek; - het bevorderen en sanctioneren van technische richtlijnen voor de staalbranche; - het doen uitgeven in samenwerking met Centrum Staal van het kwartaaltijdschrift "Bouwen met Staal", tevens officieel orgaan van het Staalbouwkundig Genootschap. Secretariaat: Groothandelsgebouw A-4, Postbus 29076, 3001 GB Rotterdam, te!.:

3 brandwerendheid van staal-beton kolommen deel1: stalen I-profielen met beton tussen de flenzen stalen I-profielen omstort met beton DEZE PUBLIKATIE IS TOT STAND GEKOMEN ONDER VERANTWOORDELIJKHEID VAN DE ONDERZOEKCOMMISSIE STAAL-BETON KOLOMMEN BIJ BRAND (CUR-COMMISSIE C 49/SG-WERKGROEP TC ) HET ONDERZOEK WERD UITGEVOERD DOOR HET INSTITUUT TNO VOOR BOUWMATERIALEN EN BOUWCONSTRUCTIES GEZAMENLIJKE PUBLIKATIE VAN STAALBOUWKUNDIG GENOOTSCHAP, ROTTERDAM CIVIELTECHNISCH CENTRUM UITVOERING RESEARCH EN REGELGEVING, GOUDA

4 De CUR, het Staalbouwkundig'Genootschap en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verwerken van de in deze publikatie vervatte gegevens; deze gegevens geven de stand van de techniek op het moment van uitgifte weer. Nochtans moet niet warden uitgesloten de mogelijkheid dat zich toch onjuistheden in deze publikatie kunnen bevinden. Degene die van deze publikatie gebruik maakt, aanvaardt daarvoor het risico. De CUR en het Staalbouwkundig Genootschap sluiten mede ten behoeve van al degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze gegevens. ISBN

5 VOORWOORD Op initiatiefvan de Stichting Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving (CUR) en het Staalbouwkundig Genootschap (SG) werd in 1984 de commissie C 49/TC "Staal-beton kolommen bij brand" opgericht. Deze commissie had als doelstelling om, op basis van beschikbare gegevens, ontwerpgrafieken samen te stellen en richtlijnen te formuleren met betrekking tot de rekenkundige bepaling van de brandwerendheid van staal-beton kolommen. In deze publikatie worden richtlijnen en aanwijzingen gegeven voor de rekenkundige bepaling van de brandwerendheid van kolommen bestaand uit: a. stalen I-profielen met gewapend beton tussen de flenzen; b. stalen I-profielen omstort met beton. Met betrekking tot de eerst genoemde categorie kolommen is uitgegaan van een door Aceries Reunies de Burbach Eich Dudelange (ARBED) ontwikkeld rekenmodel. Dit model dat een overwegend empirisch karakter heeft en is gebaseerd op sterk vereenvoudigende aannamen, is "vertaald''- naar N ederlandse praktijkomstandigheden. Een en ander heeft geleid tot knikkrammen die gelden voor een zekere brandwerendheid. Op basis van dergelijke krommen kan op eenvoudige wijze worden beoordeeld of aan een bekend veronderstelde brandwerendheidseis wordt voldaan. In een parallel aan deze publikatie te verschijnen rapport zal worden ingegaan op de rekenkundige beoordeling van de brandwerendheid van stalen buiskolommen, gevuld met betan. Ten tijde van het verschijnen van deze publikatie had de commissie de volgende samenstelling: ir. J. J. F. NICOLAI, voorzitter ir. L. TWILT, secretaris ing. P. W. VAN DE HAAR ir. F. VAN PELT ir. 1. H. WENDRICH ir. L. L. KAMMINGA, coordinator CUR ir. E. 1. F. DELSING, coordinator SG ir. J. 1. M. VERAART, mentor CUR prof. ir. A. A. VAN DOUWEN, mentor SG Het onderzoek en het samenstellen van het rapport werd uitgevoerd bij het Centrum voor Brandveiligheid TN0 door ing. P. W. VAN DE HAAR en ir. L. TWILT. maart 1988 Het bestuur van het SG Het bestuur van de CUR

6 INHOUD NOTATIES. 7 Hoofdstuk INLEIDING. Algemeen. Experimentele bepaling van de brandwerendheid. Rekenkundige bepaling van de brandwerendheid Hoofdstuk GLOBALE BESCHRIJVING VAN HET REKENMODEL VOOR DE BRAND WERENDHEID VAN STALEN!-KOLOMMEN MET BETON TUSSEN DE FLENZEN. Algemeen. Berekening van de draagkracht onder brandomstandigheden Gereduceerde oppervlakken en materiaaleigenschappen. Gereduceerde oppervlakken Gereduceerde materiaaleigenschappen Hoofdstuk REKENKUNDIGE BEOORDELING VAN DE BRANDWERENDHEID VAN STALEN I-KOLOMMEN MET BETON TUSSEN DE FLENZEN. Algemeen. Toepassingsgebied. Mechanische materiaaleigenschappen bij kamertemperatuur. Slankheid (kniklengte) onder brandomstandigheden.. Kolommen in geschoorde raamwerken.. Kolommen in ongeschoorde raamwerken Nadere toelichting op de knikkrommen Beoordeling van de brandwerendheid met behulp van de knikkrommen. Centrisch belaste kolommen Excentrisch belaste kolommen. Samenwerking tussen het staalprofiel en het beton Algemeen. Krachtsinleiding in de kolom Aanvullende bepalingen met betrekking tot het ontwerp en de uitvoering Algemeen. Verbindingsmiddelen en beugelwapening. Betonsamenstelling

7 Hoofdstuk REKENKUNDIGE BEOORDELING VAN DE BRANDWERENDHEID VAN STALEN I-KOLOMMEN OMSTORT MET BETON AIgemeen Beoordeling van de brandwerendheid met behulp van knikkrommen Hoofdstuk 5 SAMENVATTING 33 Bijlage Bijlage A Al A2 A3 A4 A5 B Bl B2 EVALUATIE EN BEPERKINGEN VAN HET ARBED-REKENMODEL. 34 Probleemstelling Vergelijking van de afname van de mechanische eigenschappen bij verhoogde temperatuur Vergelijking van de rekenwaarden voor de mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur Experimentele verificatie Aanvullende validatie berekeningen. 39 BEREKENING VAN DE EQUIVALENTE CENTRISCHE NORMAAL- KRACHT Principe. 42 Procedure 45 Bijlage c LITERATUUR 47 Bijlage D GRAFIEKEN VOOR I-PROFIELEN MET BETON TUSSEN DE FLENZEN 48 Bijlage E GRAFIEKEN VOOR I-PROFIELEN OMSTORT MET BETON 90 Bijlage F STATISCHE GROOTHEDEN VAN DE I-PROFIELEN 94 ZusammenJassung.. Resume. Summary

8 NOTATIES A oppervlakte a hart op hart afstand staven in de breedterichting van de doorsnede B sterkteklasse beton b breedte van een doorsnede c betondekking op de buitenste wapening d betondekking op een staalprofiel E elasticiteitsmodulus e excentriciteit van een kracht f' druksterkte van beton of vloeigrens van staal h hoogte van een doorsnede I traagheidsmoment k hulpfactor I systeemlengte van een kolom lk kniklengte M buigend moment Mp plastisch moment Mo moment bij brand N normaalkracht Ne Eulerse knikkracht N p plastische normaalkracht N kr knikkracht van een centrisch belaste kolom bij kamertemperatuur No normaalkracht bij brand q hart op hart afstand van de staven in de hoogterichting van de doorsnede r verhouding eindmomenten R aanduiding van de positie van wapeningsstaven S aanduiding van de positie van wapeningsstaven T aanduiding van de positie van wapeningsstaven t tijd t dikte a bijdragefactor van betoh a reductiefactor voor de mechanische materiaaleigenschappen bij verhoogde temperatuur y materiaalcoefficient of belastinggraad A slankheid i slankheidsparameter 17 knikcoefficient, gedefinieerd als N /N p Wo wapeningspercentage (= looas/a b ) 7

9 Betekenis van enige belangrijke indices a constructiestaal b beton c kubus f flens k karakteristiek p plastisch s betonstaal u grenstoestand van bezwijken w lijf x buiging om x-as y buiging om y-as (} temperatuuf, brand 8

10 HOOFDSTUK 1 INLEIDING 1. 1 Algemeen In de historische ontwikkeling die leidde tot het gebruik van staal-beton kolommen, vormde het gedrag bij brand een belangrijk motief. De brandwerendheid van onbeschermd staal is immers betrekkelijk teleurstellend. Blootgesteld aan een volledig ontwikkelde brand, zal een onbeschermde staalconstructie in veel gevallen binnen een half uur zijn bezweken. Door het staal te omgeven met beton, wordt bereikt dat de temperatuur van het staal aanzienlijk minder snel toeneemt en de levensduur van de kolom tijdens brand wordt verlengd. De betondekking d op het staalprofiel is daarmee een belangrijke parameter voor het gedrag bij brand van een staal-beton kolom met een doorsnede zoals weergegeven in figuur 1. Fig. 1. Met beton omstort staalprofiel. Steel section embedded in concrete. Met de bijdrage van het beton tot de draagkracht van de kolom werd bij deze eerste toepassing nog geen rekening gehouden. Dit betekent dat het op deze wijze "brandveilig" maken van stalen kolommen tot een aanzienlijke toename leidde van het eigen gewicht van de constructie. Een ander belangrijk nadeel is de bewerkelijkheid. Voor iedere kolom moet immers een bekisting worden gesteld. Een en ander heeft ertoe geleid dat ' beton als isolatiemateriaal voor stalen kolommen is verdrongen door lichte bekledingsmaterialen, zoals platen of spuitlagen. op vermiculiet basis. Deze materialen beschikken over zeer goede isolatie-eigenschappen en met name de platen lenen zich voor prefabricage. De kwetsbaarheid van dergelijke oplossingen wordt soms echter als een probleem gezien. Het inzicht in het gedrag van staal-beton kolommen bij kamertemperatuur is de laatste jaren aanzienlijk toegenomen. Zo is het thans mogelijk de staal-beton kolom als samengestelde kolom te berekenen. Richtlijnen op dit gebied zijn ook in Nederland uitgekomen [1]. Het beton vervult daarmee niet meer uitsluitend een functie bij brand, maar 9