Cursus Brandveilig Constructief Ontwerp

10-09-09

BuildSoft – cursus BCO

Cursus Brandveilig Constructief Ontwerp Toelichting van de mogelijkheden met BuildSoft software

PowerFrame

Programma •

Korte uiteenzetting scenario berekening brandweerstand in PowerFrame

•

Software toelichten aan de hand van enkele voorbeelden – Rekenvoorbeelden die aan bod zijn gekomen in eerdere sessies – Varianten die de extra mogelijkheden/functionaliteiten van PowerFrame illustreren

•

PowerFrame kan een brandanalyse uitvoeren voor volgende materialen – – – –

Staal Gewapend beton Hout Staal-beton

Ondersteunen we momenteel niet in PowerFrame

Brandveilig Constructief Ontwerp - BuildSoft

1

10-09-09


Scenario berekening brandweerstand Keuze van de brandcurve

Vereiste brandweerstand in t(min)

Bepalen van de gastemperatuur θg

Staal

Beton

Bepalen van de staaltemperatuur θa op tijdstip t via de onderstaande differentievergelijkingen:

Bepalen van het temperatuursverloop in de betondoorsnede op tijdstip t via de rekenmodule van Physibel (steunend op de algemene differentiaalvergelijking:



Voor onbeschermd staal:

A 1  m  h net  t a  c a V

 a  k sh

• Voor beschermd staal: a 

p dp









            y   c  x      0 t x y



Ap  1  1   g  a t  e / 10  1 g  a  c a V  1   / 3 

Optioneel: Bepalen van de accidentele belasting Ad (uniforme / niet-uniforme temperatuursstijging) Optioneel: Bepalen van de gereduceerde elastische eigenschappen E en  Uitvoeren globale analyse voor UGT BR (optioneel in functie van de gereduceerde E en )

Bepalen van de reductiefactor ky,θ

Bepalen van de gereduceerde Ac , fyk en fywk

Uitvoeren nazicht in UGT conform EN 1993-1-2 (§4.2) met gs = 1,0

Berekenen wapening op basis van gereduceerde Ac, fyk en fywk maar met initiële fck en gs = 1,0



Vereiste brandweerstand


Staal

Beton

Bepalen van de temperatuur θa in het staal

Bepalen v/h temperatuursverloop in de betondoorsnede

Optioneel: Bepalen van de accidentele belasting Ad Optioneel : Bepalen van de gereduc. E en 

Brandmodellen (1) • •

Beschreven in EN 1991-1-2 Temperatuur-tijdcurven : – – – –

ISO 834 Uitwendige brand Koolwaterstofbrand Parametrische brand

1400 1200 1000

Uitvoeren globale analyse voor UGT BR

standard brand ISO 834

800 Bepalen van de reductiefactor ky,θ


uitwendige brand koolwaterstofbrand

600

geparametriseerd 400 200

Uitvoeren nazicht in UGT conform EN 1993-1-2 (§4.2)

Berekenen wapening in UGT conform EN 1992-1-2

0 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240


2

10-09-09




Brandmodellen (2)


Staal

Beton













Staal

Beton



Vereiste brandweerstand – Bepalen van θg PowerFrame berekent de gastemperatuur θg in functie van de opgelegde vereiste brandweerstand [in min]








3

10-09-09




Temperatuurstijging van het materiaal – Staal •


Staal

Beton



Optioneel: Bepalen van de accidentele belasting Ad

Kenmerkend voor staalsecties – Weinig massief – Goede geleidbaarheid  Uniforme temperatuurstoename, geen gradiënten

•

Analytische formules – Voor onbeschermd staal:

Optioneel : Bepalen van de gereduc. E en 

 a  k sh Uitvoeren globale analyse voor UGT BR

A 1  m  h net  t a  c a V

– Voor beschermd staal: Bepalen van de reductiefactor ky,θ




a 

•

p









Ap  1  1  g  a t  e / 10  1 g    dp a  c a V  1   / 3 

Indien sectie in meer complexe configuratie : via thermodynamische module van Physibel (zie verder)




Temperatuurstijging van het materiaal – Beton •

Betonsecties = veel massiever


Staal

Beton



 temperatuursverloop over de doorsnede nietlineair  globale temperatuurstoename en een (lineaire) temperatuursgradiënt volgens beide hoofdtraagheidsassen



• Bepalen van de reductiefactor ky,θ


Berekening door Physibel




4

10-09-09




Temperatuurstijging van het materiaal – Staal (2) •


Staal

Beton


Bepalen v/h temperatuursverloop in de doorsnede

•

•


Voorbeeld: - Analytische formules




Alternatief: berekenen temperatuursverloop over de doorsnede via Physibel door de doorsnede vervormbaar te maken. Dit laat toe om ook voor niet courante secties en/of andere verhittingswijzes de temperatuursverdeling in de doorsnede te berekenen en er een normcontrole op los te laten. In het geval een niet-nominale brandcurve wordt toegepast, mogen de vereenvoudigde analytische formules niet worden toegepast.

θ = 764°C


- Physibel


θ = 748 ~823°C





Staal

Beton



De te beschouwen belastingscombinatie •

Accidentele combinatie brand = Uiterste grenstoestand (Bezwijkgrenstoestand)

•

Sd,fi = Gk,j + Ad + (1,1 of 2,1) Qk,1 +  2,i Qk,i

•

Ad : belasting t.g.v. brand









5

10-09-09




De indirecte actie t.g.v. de temperatuursstijging •


Staal

Beton




•

Ingeval van ongehinderde vervorming veroorzaken de temperatuurstoename en -gradiënten extra vervormingen (E en α zijn functie van temperatuur!) Ingeval van verhinderde vervorming veroorzaken zij inwendige krachten en spanningen.

Voorbeeld: Doorlopende ligger aan onderzijde blootgesteld aan brand: temperatuursgradiënt veroorzaakt verhoging van de steunpuntsmomenten - Koud:






- Warm:






Staal

Beton



Ad : belasting t.g.v. brand Eenvoudig rekenmodel

Geavanceerd rekenmodel









6

10-09-09





Staal

Beton




De elastische materiaaleigenschappen • •

• •

E neemt voor elk materiaal ↓ bij θ ↑ Voor beton en hout worden bovendien de secties aangetast: het warmste deel van de sectie verliest haar sterkte-eigenschappen of brandt effectief weg; hier heeft men de keuze om ofwel de oorspronkelijke sectie met lagere E ofwel een gereduceerde sectie met oorspronkelijke E in rekening te brengen Voor staal : α = cte Voor beton : α ↑ bij θ ↑ tot bepaalde temperatuur

Optioneel : Bepalen van de gered. E en 

Staal

12

nauwkeurig benaderend

10

siliciumgranulaten

8

kalkgranulaten

6 4

920

1120

820

1020

720

620

520

420

20

0 320

θ(°C)

220

920

1120

820

1020

720

620

520

420

2

320

20


14

220


Δl/l x 1000 16

120


Beton

Δl/l x 1000 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

120


θ(°C)






Uitvoeren globale analyse voor UGT BR •

Eenvoudig rekenmodel :  globale analyse op kamertemperatuur

Staal

Beton




•

Geavanceerd rekenmodel :  globale analyse op basis van: • Gereduceerde E • Gewijzigde 







7

10-09-09





De verminderde sterkte-eigenschappen •

Staal - fyk neemt af bij toenemende temperatuur 1,2

Staal

1

Beton

0,8



0,6

ky,θ = fy,θ / fy kE,θ = Ea,θ / Ea

0,4 0,2 0


20 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00


•

Beton - fck neemt af bij toenemende temperatuur 1,2

Uitvoeren globale analyse voor UGT BR 1 0,8



0,6

siliciumgranulaten kalkgranulaten

0,4 0,2


0

20 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00






Staal

Beton



De gewijzigde doorsnede t.g.v. aantasting door brand (1) • • •

•

Afspatten van beton bij hoge temperaturen Sterke reductie van druksterkte bij hoge temperaturen Conventioneel : beton > 500° C buiten beschouwing laten; beton <= 500° C berekenen met zelfde eigenschappen als beton op 20° C Voor wapening altijd rekening houden met verminderde eigenschappen op hoge temperatuur





Bepalen van de gereduceerde Ac fyk en fywk



8

10-09-09





Staal

Beton



De gewijzigde doorsnede t.g.v. aantasting door brand (2) •

Voorbeeld











Staal

Beton




Nazichtsberekening of wapeningsberekening •

Staal – s = 1 – fy functie van θ

•

Beton – c en s = 1 – fyk, fywk en Ac functie van θ – fck op 20°C








9

10-09-09


Opmerking (1) E, , Ac, fy, fyk op welk tijdstip t ? • •

In principe moet een analyse en nazicht worden uitgevoerd op elk tijdstip t tot aan de vereiste brandweerstandstijd In PowerFrame wordt slechts één berekening doorgevoerd waarbij  De gereduceerde weerstandskarakteristieken (fy en sectie na brand) worden berekend op het ogenblik dat de temperatuur in het materiaal het hoogst is

 De elastische materiaaleigenschappen (E en α) worden berekend op het ogenblik dat de thermische actie (E.α.∆T) het grootst is Brandveilig Constructief Ontwerp - BuildSoft

Opmerking (2) E, , Ac, fy, fyk op welk tijdstip t ? Geavanceerd rekenmodel

Opm:

Eenvoudig rekenmodel

Voor staaldoorsneden waarvan de opwarming wordt gesimuleerd via de eindige differentiemethode, wordt bovenstaande werkwijze niet gevolgd. Alsdan worden de gereduceerde eigenschappen steeds bepaald op basis van de temperatuur op het ogenblik dat de vereiste brandweerstand wordt bereikt.


10

10-09-09


Cursus Brandveilig Constructief Ontwerp Toepassingsvoorbeelden in PowerFrame

PowerFrame

Oefeningen Staal •

Rekenvoorbeelden 1. Balk IPE 300 langs drie zijden blootgesteld aan brand 2. Balk HEB 200 met kokervormige brandwerende bekleding van gips, langs drie zijden blootgesteld aan brand 3. Kolom HEB 300 met kokervormige bescherming centrisch belast

•

Extra voorbeelden 1. Kolom met buisvormige doorsnede beschermd met brandwerende verf centrisch belast 2. Balk IPE 300 beschermd met brandwerende verf langs drie zijden blootgesteld aan brand

Beton •

Rekenvoorbeelden 1. Balk met rechthoekige doorsnede langs drie zijden blootgesteld aan brand 2. Kolom met rechthoekige doorsnede langs vier zijden blootgesteld aan brand

Alle elementen worden onderworpen aan de standaardbrand (ISO 834) Brandveilig Constructief Ontwerp - BuildSoft

11

10-09-09



Rekenvoorbeeld 1 : Onbekleed driezijdig verhit I-profiel (ISO 834)

–

Materiaaleigenschappen Ligger • • • • •

–

profiel: warmgewalst IPE 300 profiel staalkwaliteit: S 275 vloeispanning: fy = 275 N/mm² elasticiteitsmodulus: E = 210000 N/mm² dichtheid: ρa = 7850 kg/m³

Belastingen: • •

permanent: – gk = 4,8 kN/m variabel: – qk = 7,8 kN/m

R15 ?



Rekenvoorbeeld 2 : Driezijdig verhit I-profiel met holle bekleding (ISO 834)

–

Materiaaleigenschappen Ligger • profiel: warmgewalst HE 200 B profiel • staalkwaliteit: S 235 Bekleding: • materiaal: gips • dikte: dp = 20 mm • thermische geleidingscoëfficiënt: λp = 0,2 W/(m·K) • specifieke warmtecapaciteit: cp = 1700 J/(kg·K) • dichtheid: ρp = 945 kg/m³

- Belastingen: permanent: Gk = 96,3 kN gk = 1,5 kN/m variabel: qk = 1,5 kN/m

R90 ? Brandveilig Constructief Ontwerp - BuildSoft

12

10-09-09



Rekenvoorbeeld 3 : Vierzijdig verhit I-profiel met holle bekleding (ISO 834)

–

Materiaaleigenschappen Ligger • profiel: warmgewalst HE 300 B profiel • staalkwaliteit: S 235 Bekleding: • materiaal: gips • dikte: dp = 30 mm • thermische geleidingscoëfficiënt: λp = 0,2 W/(m·K) • specifieke warmtecapaciteit: cp = 1700 J/(kg·K) • dichtheid: ρp = 945 kg/m³

- Belastingen: permanent: Gk = 1200 kN variabel: Qk = 600 kN/m

R90 ?



Extra opgave 1 : Alzijdig verhit buisprofiel met bekleding (ISO 834) D = 250mm t = 12mm lengte = 3,0m (= kniklengte) staalkwaliteit S235 Het buisprofiel wordt beschermd met een brandwerende verf met droge laagdikte 1mm. T [°C]  [W/mK] c [J/kgK] 20 0.15 1000.0 200 0.15 1000.0 400 0.007 1000.0 600 0.007 1000.0 1000 0.01 1000.0 1200 0.01 1000.0

ρ = 1000 kg/m³ ε = 0,7

De belastingen : – –

Permanent (inclusief eigengewicht): Gk = 800 kN variabel: Qk = 500 kN

R30 ?


13

10-09-09



Extra opgave 2 : Driezijdig verhit I-profiel met profielvolgende bekleding (ISO 834)

–

Materiaaleigenschappen Ligger • • • • •

–

profiel: warmgewalst IPE 300 profiel staalkwaliteit: S 275 vloeispanning: fy = 275 N/mm² elasticiteitsmodulus: E = 210000 N/mm² dichtheid: ρa = 7850 kg/m³

Belastingen: • •

permanent: – gk = 4,8 kN/m variabel: – qk = 7,8 kN/m

- Thermische eigenschappen Firetex T [°C]  [W/mK] c [J/kgK] 20 0.15 1000.0 200 0.15 1000.0 400 0.007 1000.0 600 0.007 1000.0 1000 0.01 1000.0 1200 0.01 1000.0

R?


Oefeningen Beton •

Rekenvoorbeeld 1 : Driezijdig verhitte R-doorsnede (ISO 834)

Afmetingen – – – – – –

b = 320 mm h = 600mm d = 550 mm (de effectieve hoogte = de nuttige hoogte) de betondekking op de beugels c = 30 mm Betonkwaliteit C25/30 met γc = 1.5 Staalkwaliteit 500 met γc = 1.15

Belastingen – Karakteristieke blijvende belasting gk = 50 kN/m – Karakteristieke mobiele belasting qk = 15 kN/m

R30 ?


14

10-09-09


Oefeningen Beton •

Rekenvoorbeeld 2 : Vierzijdig verhitte R-doorsnede (ISO 834) Afmetingen – – – – – –

B = 360 mm H = 400mm l = 8m bruto wapeningsdekking c = 60 mm Betonkwaliteit C30/37 met γc = 1.5 Staalkwaliteit 500 met γc = 1.15

R30 ? Brandveilig Constructief Ontwerp - BuildSoft

15

Cursus Brandveilig Constructief Ontwerp

Recommend Documents