Brandwerendheid van gedeeltelijk beschermde staal-betonligger met staalplaatbetonvloeren
R. Zanon 28 October 2010, Leuven
ArcelorMittal R&D
Inhoud van de presentatie
1 – Inleiding 2 – Nieuwe brand tests 3 – Mechanische principes 4 - Design software
28 October 2010
1
1
1 Inleiding
28 October 2010
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.
28 October 2010
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.
2nd corner test: fire load (above) and during the test 28 October 2010
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 GrootBrittannië een nieuw brandontwerpconcept voor 2nd corner test: remaining moderne deformed shape after fire meerverdiepingsgebouwen geontwikkeld.
4
2 Nieuwe brandproeven
28 October 2010
5
3
Concept
onbeschermd element R(element) < 30
beschermd element
q [°°C] 1200 1006
945
1000
1049
1110
842 800 600
test met gehele vloer
400 200
R=?
0
0
30
90
60
ISO-834 Curve
28 October 2010
120
180
t [min] 6
stramien constructie IPE300 HEB260
Fracof test IPE400
IPE400
(16 / 01 / 2008)
IPE300
C O R N E R
IPE270 HEB200
Cossfire test (16 / 01 / 2009)
28 October 2010
E D G E P A R T
IPE270
IPE270
Pin joint
7
4
FRACOF Rf = 20 min
onbeschermde liggers in het midden beschermde liggers buiten 8
28 October 2010
staalplaatbetonvloer
101 mm
107 mm
62 mm
spbv: beton: 28 October 2010
COFRAPLUS60 – 0.75 mm C30/37
155 mm FRACOF 135 mm COSSFIRE
58 mm
staalbetonliggers met spbv
wapeningnet staalbetonvloer wapeningsnet: 150x150 diameter: 7 mm staalkwaliteit: S500 afstand aslijn-bovenkant spbv: • 50 mm FRACOF • 35 mm COSSFIRE
9
5
verbindingen ligger- kolom ligger - ligger Secondair ligger
Primair ligger
dubbelde hoekplaten
flexibele eindplaat
dubbelde hoekplaten
staalbouten: kwaliteit 8.8 diameter 20 mm
28 October 2010
10
Loading Surfacic load for office buildings: 1.25 kN/m2 + 0,5 x 5.00 kN/m2 = 3.75 kN/m2 Partitions
FRACOF
ψ1
Imposed Loads
15 sand bags of 1512 kg Equivalent uniform load: 390 kg/m² = 3.90 kN/m2
COSSFIRE 20 sand bags of 1098 kg Equivalent uniform load: 393 kg/m² = 3.93 kN/m2 28 October 2010
11
6
FRACOF TEST about 80 people from Authorities
28 October 2010
12
Test results: R > 120 minutes
Rebars: 300 °C 300 °C Deformed shape
28 October 2010
1040 °C
13
7
Results – Fracof (2008) and Cossfire (2009) Before the fire
Max. deflection 46 cm
600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Vertical displacement (mm)
Vertical displacement (mm)
After 120 of fire
D1 D2 D3 D4
0
30
60
90
120 150 180 210 240
Max. deflection 55 cm
600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Extrapolated results
D4
D2
D5 D7 D8 0
30
60
90
D6
120 150 180 210 240
Time (min)
Time (min)
28 October 2010
D3
D1
FRACOF
COSSFIRE
14
Numerical simulation of the Fracof test Diamond 2008 for SAFIR
Diamond 2008 for SAFIR
FILE: Ribs WithInsulation6
FILE: Ribs WithInsulation6
NO DES: 1203
NO DES: 1203
ELEMENT S: 1104
Slab
ELEMENT S: 1104
SO LIDS PLO T
SO LIDS PLO T TEMPERAT URE PLO T SILCO NC_EN INSULATI ON
TIME: 7200 s ec 1043,40 932,23 821,05 709,88 598,70 487,53 376,35 265,18 154,00
Fire exposure
Y
X
Z
Beam
Y
X
Z
Diamond 2008 f or SAFIR
Diamond 2008 f or SAFIR
FILE: IPE300 NODES: 249 ELEMENTS: 267
FILE: IPE300 NODES: 249 ELEMENTS: 267
SOLIDS PLOT
SOLIDS PLOT TEM PERATURE PLOT SILCONC_EN STEELEC3 STEELEC3
TIME: 3600 s ec 942,00 827,44 712,88 598,31 483,75 369,19 254,63 140,06 25,50
Fire exposure
Y
X
Y
Z
27 October 2010
X
Z
15
8
Measured deflections during the Fracof test
Protected beams
Exposed beams
28 October 2010
16
Results of the numerical simulation
Test Simulation
28 October 2010
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. 28 October 2010
18
28 October 2010
19
10
28 October 2010
20
28 October 2010
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”. 28 October 2010
22
28 October 2010
23
12
28 October 2010
24
28 October 2010
25
13
28 October 2010
26
3 Mechanische principes
28 October 2010
27
14
Concept Methode geontwikkeld van Prof. Colin Bailey University of Manchester, vroeger Engineer Building Research Establishment (BRE).
Uitgangspunt is de robuste trek trek-- membraan werking van de staalplaatbetonvloer in combinatie met de staalbetonliggers, welke het 28 October 2010keer werd waargenomen tijdens de Cardington tests. eerste
28
Gedrag van de vloer en de ligger tijdens de brand
staalplaatbetonvloer met een overspanningsrichting op de onbeschermd ligger. 28 October 2010
29
15
Gedrag van de vloer en de ligger tijdens de brand
plastisch vervorming in onbeschermd ligger – vloeilijn in spbv. 28 October 2010
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. 28 October 2010
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. 28 October 2010
32
capaciteit i.v.m. belastingen
Trek
sterkte vloer zonder sterkte ligger
temperatuur ligger 28 October 2010
drukring
33
17
Mogelijk bezwijkbeeld
scheur bezwijken op druk
bezwijken op druk
vervorming horizontaal
28 October 2010
34
Validatie model
Bailey heeft bijkomend 26 “koude”- en 22 brandtests met vloeren uitegevoerd om de theorie rond de trek-menbraan werking te valideren. 28 October 2010
35
18
4 Design software
28 October 2010
36
Fracof software De Fracof software is een 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: 28 October 2010
www.arcelormittal.com/sections 37
19
Design philosophie beschermde elementen
FRACOF software 28 October 2010
onbeschermde elementen
38
Output
temperatuur ontwikkeling
belastingscapaciteit ontwikkeling
28 October 2010
Vloer voldoet als belastingscapaciteit groter is dan de belasting (load load--carrying capacity > loads)
39
20
beschermd
Aknowledgements: - Prof. Colin Bailey (UMIST) 28 October 2010 - Dr. Bin Zhao (CTICM)
Bedankt voor uw aandacht. 40
21
