aalto1 untyped-item.component.html
Puristetun ja taivutetun teräsrakenteen käyttäytyminen palotilanteessa
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ENG27
Degree programme
Language
fi
Pages
91+39
Series
Abstract
Teräsrakenteiden eurokoodin palo-osiossa esitetään kriittisen lämpötilan laskenta ainoastaan rakenteille, joissa siirtymätilaehtoja tai stabiiliutta ei tarvitse ottaa huomioon. Puristetuille ja taivutetuille rakenteille kriittisen lämpötilan laskentaa ei siis esitetä. Rakennesuunnittelijan täytyy kuitenkin pystyä määrittämään rakenteelle kriittinen lämpötila sen palosuojauksen suunnittelua varten. Nykyisin kriittisen lämpötilan laskenta puristetuille ja taivutetuilla rakenteille on iteratiivinen ja työläs. Diplomityön tavoitteena oli luoda selkeä ja helppokäyttöinen laskentapohja kriittisen lämpötilan määrittämiseksi puristetuille ja taivutetuille rakenteille. Tällä laskentapohjalla laskettuja kriittisen lämpötilan arvoja myös verrattiin FEM-laskennalla saatuihin kriittisen lämpötilan arvoihin.
Laskentapohja luotiin Mathcad -ohjelmistolla. Se koostuu viidestä eri osiosta, jotka ovat lähtötietojen syöttö, varsinainen laskentaosio, tulososio, palonkesto ja palosuojaus sekä tulostussivu. Tässä laskentapohjassa käyttäjä syöttää rakenteelle jännevälin ja kuormitukset, sekä valitsee tuennalle reunaehdot. Käyttäjä myös valitsee laskennassa käytettävän profiilin ja teräslaadun valittavissa olevista vaihtoehdoista. Laskentapohjassa käytettäviä profiileja ovat HEA, IPE, ympyrä-, suorakaide- ja neliöputkiprofiilit. Käytettäviä teräslaatuja ovat S235-S460. Laskentapohjan tuloksena saadaan rakenneosalle kriittinen lämpötila, palonkestoaika palosuojaamattomalle profiilille ja vaadittava palosuojamaalin kuivakalvon paksuus, jotta saavutetaan haluttu paloluokka.
Vertailua varten tehdyt FEM-laskelmat suoritettiin Comsol Multiphysics -ohjelmistolla. Laskelmissa rakenteille käytettiin 3D-geometriaa. Rakenteelle haettiin ensin ensimmäinen nurjahdusmuoto, jonka jälkeen tälle alkuhäiriölliselle rakenteelle annettiin tietty kuormitus ja lämpötilaa nostettiin asteittain, kunnes löydettiin lämpötila, jolla rakenne ei pystynyt enää kantamaan tätä kuormitusta.
Kun FEM-laskelmia ja laskentapohjasta saatuja, eurokoodin mukaisia, kriittisiä lämpötiloja verrattiin keskenään, huomattiin, että eurokoodin mukainen laskenta aliarvioi kriittisiä lämpötiloja suurilla käyttöasteilla, eli pienillä kriittisillä lämpötiloilla. Pienillä käyttöasteilla, eli suurilla kriittisillä lämpötiloilla laskentapohjan tulokset vastasivat FEM-laskennan tuloksia melko hyvin. Yleisesti laskentapohjan tulokset vastasivat FEM-laskentaa paremmin, kun käytettävät taivutusmomentit olivat suuret. Kaikki laskentapohjasta saadut I-profiilien tulokset olivat varmalla puolella FEM-laskelmiin verrattuna. Putkiprofiileilla osa tuloksista oli epävarmalla puolella, kun taivutusmomentit olivat hyvin pienet.
The fire design part of the Eurocode for steel structures presents a method for calculating the critical temperature of a steel structure only if deformation criteria or instability phenomena don’t have to be considered. Therefore, calculating the critical temperature is not defined for compressed and bent structures. Structural designer needs to be able to define a critical temperature for a structure so fire protection for this structure can be designed. The current method for calculating critical temperature for compressed and bent structures is iterative and quite laborious. The goal of this thesis was to create a clear and easy to use calculation tool for defining critical temperatures for these kinds of structures. The values obtained from this calculation tool were compared with critical temperatures calculated with FEM-software.
The calculation tool was created using Mathcad. It consists of five sections, which are initial data input section, calculation section, result section, fire design and protection and output page. The user inputs in this tool are span length, loads and support boundary conditions. User also selects a profile and steel grade from predefined values. Profiles in this tool are HEA, IPE, round, rectangular and square hollow sections. Steel grades are S235-S460. Results that are obtained from this tool are the critical temperature of structure, fire resistance for unprotected section and required dry-film thickness of intumescent paint that the required fire resistance is achieved.
The FEM-calculations for comparison were made using Comsol Multiphysics. 3D- geometry was used in these calculations. First, the buckling mode of the structure was calculated. Then this imperfect structure was given a certain load and the temperature was increased gradually until the structure could not bear this loading.
When the FEM-calculations were compared with the results from the calculation tool, it was noticed that the calculation according to Eurocode underestimates critical temperatures when the degree of utilization is high, and the critical temperature is low. When the degree utilization is low, and the critical temperature is high, results from the calculation tool correspond well with the FEM-results. Generally, results from the calculation tool correspond FEM-results better when the bending moments are high. All results from I-profiles were on the safe side. With hollow sections, some results were on the unsafe side when bending were small.