Brandwerendheid van gedeeltelijk beschermde staal-betonligger met staalplaatbetonvloeren, Leuven R. Zanon ArcelorMittal R&D Inhoud van de presentatie 1 Inleiding 2 Nieuwe brand tests 3 Mechanische principes 4 - Design software 1 1
1 Inleiding 2 Achtergrond Grootschalige brandtests uitgevoerd in een aantal landen en ervaringen gebaseerd op echte branden in gebouwen hebben laten zien dat de brandweerstand van staalraamwerken met staalbetonliggers veel beter is dan aangeduid bij standaard brandwerendheidsproeven van geisoleerde constructieve onderdelen. Het eerste relevante bewijs zijn de brandtests, welke werden uitgevoerd in Groot-Bittannië bij het Building Research Establishment s Cardington Laboratory in 1995-1996. De tests werden uitgevoerd in een acht verdiepingen tellend kantoorgebouw uitgevoerd met stalen kolommen en met staal-betonliggers met staalplaatbetonvloeren. De doelstelling van deze tests was om het echte gedrag van de constructie bij een echte brandsituatie te onderzoeken. 3 2
Belangrijkste resultaten De Cardington tests hebben gedemonstreerd dat staalconstructies met staalbetonliggers, welke in verbond samen werken met de staalplaatbetonvloer, een veel grotere brandwerendheid hebben dan dusveer aangenomen. Bij alle tests heeft de constructie heel goed gepresteerd en de globale stabiliteit werd gewaarborgd. 2 nd corner test: fire load (above) and during the test Onderzoek toont aan dat deze uitstekende prestatie baseert op de trek-membraanwerking, welke ontstaat door de gewapend staalbetonvloeren en de staalbetonliggers. Hieruit resulterend werd in Groot- Brittannië een nieuw brandontwerpconcept voor moderne meerverdiepingsgebouwen geontwikkeld. 2 nd corner test: remaining deformed shape after fire 4 2 Nieuwe brandproeven 5 3
Concept onbeschermd element R (element) < 30 beschermd element q [ C] 1200 1000 800 842 945 1006 1049 1110 600 test met gehele vloer R =? 400 200 0 0 30 60 90 ISO-834 Curve 120 180 t [min] 6 stramien constructie IPE300 Fracof test HEB260 IPE400 IPE400 (16 / 01 / 2008) C O R N E R IPE300 IPE270 Cossfire test E D G E HEB200 IPE270 IPE270 (16 / 01 / 2009) P A R T Pin joint 7 4
FRACOF R f = 20 min onbeschermde liggers in het midden beschermde liggers buiten 8 9 5
verbindingen Secondair ligger ligger- kolom Primair ligger ligger - ligger dubbelde hoekplaten flexibele eindplaat dubbelde hoekplaten staalbouten: kwaliteit 8.8 diameter 20 mm 10 Loading Surfacic load for office buildings: 1.25 kn/m 2 + 0,5 x 5.00 kn/m 2 = 3.75 kn/m 2 FRACOF Partitions ψ 1 Imposed Loads 15 sand bags of 1512 kg Equivalent uniform load: 390 kg/m² = 3.90 kn/m 2 COSSFIRE 20 sand bags of 1098 kg Equivalent uniform load: 393 kg/m² = 3.93 kn/m 2 11 6
FRACOF TEST about 80 people from Authorities 12 Test results: R > 120 minutes Rebars: 300 C 300 C Deformed shape 1040 C 13 7
Y X Y X Z Z Diamond 2008 for SAFIR FILE: Ribs WithInsulation6 NODES: 1203 ELEMENT S: 1104 SOLIDS PLOT Diamond 2008 for SAFIR FILE: IPE300 NODES: 249 ELEMENTS: 267 SOLIDS PLOT SILCONC_EN INSULATION SILCONC_EN STEELEC3 STEELEC3 Y X Y X Z Z Diamond 2008 for SAFIR FILE: Ribs WithInsulation6 NODES: 1203 ELEMENT S: 1104 SOLIDS PLOT TEMPERAT URE PLOT TIME: 7200 s ec 1043,40 932,23 821,05 709,88 598,70 487,53 376,35 265,18 154,00 Diamond 2008 for SAFIR FILE: IPE300 NODES: 249 ELEMENTS: 267 SOLIDS PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 3600 s ec 942,00 827,44 712,88 598,31 483,75 369,19 254,63 140,06 25,50 Results Fracof (2008) and Cossfire (2009) Before the fire After 120 of fire Vertical displacement (mm) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 D1 D3 Max. deflection 46 cm D2 D4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) FRACOF 600 550 500 450 D1 Extrapolated results D3 400 350 300 D2 D4 250 200 D5 150 100 D7 D8 D6 50 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) Vertical displacement (mm) COSSFIRE Max. deflection 55 cm 14 Numerical simulation of the Fracof test Slab Fire exposure Beam Fire exposure 27 October 2010 15 8
Measured deflections during the Fracof test Protected beams Exposed beams 16 Results of the numerical simulation Simulation Test 17 9
München natural fire tests (07/07/2010 + 03/09/2010) 12.5 m 5.0 m In the scope of german AIF project Nutzung der Membranwirkung von Verbundträger-Decken-Systemen im Brandfall, pictures from first test. 18 19 10
20 21 11
Ulster natural fire test (27/02/2010) 15.0 m 9.0 m Europees RFCS project FICEB+ Fire resistance of cellular beams made of hotrolled profiles. 22 23 12
24 25 13
26 3 Mechanische principes 27 14
Concept Methode geontwikkeld van Prof. Colin Bailey University of Manchester, vroeger Engineer Building Research Establishment (BRE). Uitgangspunt is de robuste trek- membraan werking van de staalplaatbetonvloer in combinatie met de staalbetonliggers, welke het eerste keer werd waargenomen tijdens de Cardington tests. 28 Gedrag van de vloer en de ligger tijdens de brand staalplaatbetonvloer met een overspanningsrichting op de onbeschermd ligger. 29 15
Gedrag van de vloer en de ligger tijdens de brand plastisch vervorming in onbeschermd ligger vloeilijn in spbv. 30 Gedrag van de vloer en de ligger tijdens de brand Sterkte van de staal-betonligger blijft afnemen wat resulteerd in het vloeibeeld van de staalplaatbetonvloer zoals aangegeven. 31 16
Gedrag van de vloer en de ligger tijdens de brand Met toenemend verlies van de mechanisch eigenschappen van de ligger, tendeerd de staalplaatbetonvloer een vloeilijnbeeld aan te nemen welk er zonder ligger zou zijn. 32 capaciteit i.v.m. belastingen sterkte vloer zonder sterkte ligger Trek temperatuur ligger drukring 33 17
Mogelijk bezwijkbeeld scheur bezwijken op druk bezwijken op druk vervorming horizontaal 34 Validatie model Bailey heeft bijkomend 26 koude - en 22 brandtests met vloeren uitegevoerd om de theorie rond de trek-menbraan werking te valideren. 35 18
4 Design software 36 Fracof software De Fracof software is een simple design tool simple design tool voor het bepalen van de brandwerendheid van gedeeltelijk beschermde staal-betonliggers met spbv conform de Bailey methode. Deze werd geontwikkeld door de Steel Alliance waarin SCI en CTICM actief betrokken zijn. gratis download: www.arcelormittal.com/sections 37 19
Design philosophie beschermde elementen FRACOF software onbeschermde elementen 38 Output temperatuur ontwikkeling belastingscapaciteit ontwikkeling Vloer voldoet als belastingscapaciteit groter is dan de belasting (load-carrying capacity > loads) 39 20
beschermd Aknowledgements: - Prof. Colin Bailey (UMIST) -Dr. Bin Zhao (CTICM) Bedankt voor uw aandacht. 40 21