Huldæk og Brand - dokumentation vedrørende forskydningskapacitet

Transkript

1 Huldæk og Brand - dokumentation vedrørende forskydningskapacitet Udarbejdet for BETONELEMENT-FORENINGEN Juni BEF doc Side 1 af 24

2 Synopsis Det har gennem mange år været en udbredt international praksis at anvende huldækelementer til etageadskillelser med krav om 60, 90 eller 120 minutters brandmodstandsevne, idet designet i kold tilstand alene suppleres med opfyldelse af krav vedrørende bøjningsbæreevnen i brandsituationen. Der findes ikke nogen prøvningsdokumentation eller beregningsmetode, der kan bruges til direkte at fastlægge niveauet for dækkenes forskydningsbæreevne under brand. Der er dog tidligere udført mange forsøg som bekræfter, at huldækelementer kan modstå brand i både 60, 90 og 120 minutter, når de udsættes for en moderat belastning. Betonelement-Foreningen har derfor i april 2005 ladet gennemføre brandforsøg med huldæk udsat for høj belastning med tilhørende store forskydningskræfter. Forsøgene viser, at korrekt indbyggede huldæk besidder fortrinlige brandmæssige egenskaber både under brandforløbet og i den efterfølgende afkølingsfase. Det konkluderes på baggrund af forløbet af forsøgene, at det vil være forsvarligt at anvende huldæk i byggerier med krav om 60 minutters brandmodstandsevne, såfremt forskydningskræfterne i brandtilfældet ikke overstiger 75% af den regningsmæssige forskydningsbæreevne i kold tilstand bestemt iht. DS411 på basis af funktionsprøvning med lastopstilling iht. pren Det er i denne sammenhæng en forudsætning, at minimumskravene til fugearmering i Betonelement-Foreningens anvisning herom overholdes. København, juni 2005 Jesper Frøbert Jensen BEF doc Side 2 af 24

3 Indholdsfortegnelse 1 Baggrund Konklusion Forsøgsmetodik Formål Summarisk, kvalitativ analyse Udformning af testemne Valg af huldæktype og konditionering Belastninger Lastarrangement Brandforløb Forsøgsresultater Litteraturliste Bilag: 1 Produktionstegninger af testemner 2 Lineindglidning BEF doc Side 3 af 24

4 1 Baggrund By- og Boligministeriet har i juni 2001 meddelt ETA-Danmark A/S, at det er ministeriets vurdering at de gældende MK-godkendelser for betonhuldækelementer kan tilbagekaldes, da godkendelserne ikke længere er nødvendige, idet betonelementernes brandmæssige egenskaber kan dokumenteres på baggrund af beregningsreglerne i konstruktionsnormerne eventuelt kombineret med prøvning i henhold til gældende standarder. By- og Boligministeriet anførte i samme forbindelse, at de pågældende godkendelser ikke vil kunne opretholdes på sigt, da de vil være i modstrid med Byggevaredirektivet. Jævnfør [1] var status på dette tidspunkt, at bøjningsbæreevnen under brand samt forhold vedr. den kolde tilstand kunne dokumenteres vha. beregning iht. konstruktionsnormerne og ved løbende produktionsprøvning, medens der ikke forelå et tilsvarende grundlag for direkte dokumentation vedrørende forskydningsbæreevnen under brand. Ganske vist forelå der resultater fra en lang række forsøg i Europa med huldæk under brand; men forsøgene med positivt udfald var stort set alle udført med moderat belastning eller med randbetingelser, der ikke vil kunne påregnes opfyldt i sædvanlige byggerier. Omvendt var forsøgene med negativt udfald (brud) generelt udført under fejlagtige vilkår, især manglende sammenbygning som i virkelige bygninger eller med for høje fugtindhold i huldækkene. Samtidig kunne konstateres, at det gennem mange år uden problemer har været en udbredt international praksis at anvende huldækelementer til etageadskillelser med krav om 60, 90 eller 120 minutters brandmodstandsevne, idet designet i kold tilstand alene suppleres med opfyldelse af krav vedrørende bøjningsbæreevnen i brandsituationen. Forholdene i boligbyggerier og kontorbyggerier er generelt kendetegnet ved moderate lastniveauer i brandtilfældet og kunne dermed regnes dækket rimeligt ind af ovennævnte forsøg med moderat belastning i forening med mange års omfattende internationale, gode erfaringer med anvendelse af huldæk i sammenlignelige byggerier. Betonelement-Foreningen har i den forbindelse tilpasset sine generelle anbefalinger vedrørende huldæks indbygning med tilhørende fugearmering svarende til hvorledes praksis generelt har udviklet sig på europæisk plan. Se [2] BEF doc Side 4 af 24

5 Den hidtidige danske praksis inden for bygningskategorien tungt erhverv med høje lastniveauer kunne ikke på tilsvarende vis anses for dokumenteret. På denne baggrund orienterede Betonelement-Foreningen i slutningen af 2002 Erhvervs- og Boligstyrelsen om en plan for gennemførelse af forsøg i løbet af et par år til verifikation af forskydningsbæreevnen under brand med særligt henblik på forholdene i tungt erhverv. I den mellemliggende periode har Betonelement-Foreningen anbefalet en grænse for belastningen på huldækkene med en særlig designregel [3]. Nærværende rapport omhandler de nu gennemførte forsøg, udført på Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, SP BEF doc Side 5 af 24

6 2 Konklusion Forsøgene udført på SP viser, at korrekt indbyggede huldæk besidder fortrinlige brandmæssige egenskaber. De 3 forsøg blev udført ved forskellige lastniveauer, nedenfor udtrykt ved forskydningskraften under brandforsøget, V d(brand), målt i procent af dækkenes regningsmæssige bæreevne i kold tilstand, V ud(kold) : Forsøg SP-1 udført : V d(brand) = 65% af V ud(kold) [7] Forsøg SP-2 udført : V d(brand) = 75% af V ud(kold) [8] Forsøg SP-3 udført : V d(brand) = 80% af V ud(kold) [9] Forløbene ved de to første forsøg var meget ensartede, med jævn udvikling af nedbøjninger og revnedannelser. Disse forsøg forløb uden der på noget tidspunkt indtrådte brud, afskalninger eller andre væsentlige skader på huldækkene. Hverken i det én time lange brandforløb eller i den efterfølgende afkølingsfase på ca. 1½ time. Ved det tredje forsøg, hvor dækkene var belastet svarende til 80% af den deklarerede regningsmæssige styrke i kold tilstand, indtrådte brud efter 45 minutter. Indtil dette tidspunkt var forløbet lige så ensartet som ved de to første forsøg. Forsøgene indikerer, at tværarmeringen i fugen for enden af elementerne er af væsentlig betydning for at hindre lodret spaltning af elementenderne under brandforløbet. Minimumskravene til fugearmering i Betonelement- Foreningens anvisning herom [2] bør derfor altid følges. Denne anvisning gælder 1,2 m brede huldæk svarende til de anvendte huldæk til forsøgene. Med dette som forudsætning, samt under indtryk af, at forsøgene er udført med den huldæktype, der blandt gængse huldæk på det danske marked har den mindste ribbeandel i tværsnittet, vurderes det herefter forsvarligt at anvende huldæk i byggerier med krav om 60 minutters brandmodstandsevne, hvis det opfyldes at: V d(brand) < 75% af V ud(kold) BEF doc Side 6 af 24

7 såfremt V ud(kold) bestemmes iht. DS411 på basis af funktionsprøvning med lastopstilling iht. pren1168 ligesom for elementerne anvendt til forsøgene. Yderligere bemærkes, at resultaterne fra afkølingsfasen vil kunne anvendes til at vurdere huldækkenes evne til at modstå et 120 minutter langt brandforløb i bygninger med moderat brandbelastning, dvs. hvor det kan dokumenteres at temperaturforløbet i de 120 minutter generelt ligger under de resulterende temperaturkurver fra forsøgene BEF doc Side 7 af 24

8 3 Forsøgsmetodik 3.1 Formål Formålet med de aktuelle forsøg var at bekræfte, at huldæk udsat for en brandpåvirkning i 60 minutter iht. standardbrandkurven samt i den efterfølgende afkølingsfase kan modstå en forskydningspåvirkning på mindst 65% af dækkenes regningsmæssige forskydningsbæreevne i kold tilstand bestemt iht. DS411 på basis af funktionsprøvning med lastopstilling iht. pren Summarisk, kvalitativ analyse Under brandpåvirkningen vil huldækkets eksponerede underside udvide sig betydeligt på grund af temperaturforøgelsen. I et snit vinkelret på kanalerne vil temperaturfordelingen ned gennem dækket efter en vis tid have karakter som vist til venstre på nedenstående tegning. tryk træk tryk temperaturfordeling normalspændingsfordeling Ude i faget vil huldækket søge reagere på dette temperaturprofil ved at bøje ned, idet plane tværsnit forbliver plane. Dermed vil der indstille sig en ligevægt, hvor der optræder langsgående trykspændinger i dækkets top og bund; medens der opstår langsgående trækspændinger i ribben som antydet til højre på tegningen. Trækspændingerne i ribben vil reducere den uarmerede ribbes forskydningsbæreevne i forhold til den kolde tilstand. På europæisk plan anbefales i den forbindelse, at der for at reducere revnetendensen stilles særlige krav til armeringsføringen i dækkets længdefuger, hvilket med anvisningen [2] også er indført i Danmark BEF doc Side 8 af 24

9 Temperaturudvidelsen i dækkets tværretning vil medføre en tendens til revnedannelse i oversiden af dækket langs kanalerne. Disse revnedannelser vil ude ved dækenderne slå igennem tværfugeudstøbningen og videre ned i den yderste del af dækundersiden, der forbliver kold ude over vederlaget. Hvis denne spaltevirkning ikke kontrolleres, vil der både være risiko for at spændlinernes endeforankring svigter og for at revnerne løber et stykke ud fra vederlaget i dækunderside og dermed øger dækkets sårbarhed over for brandpåvirkningen. Den sidste betragtning fører til en forventning om, at en effektivt forankret armering liggende i tværfugen for enden af dækket er af afgørende betydning for brandmodstandsevnen. Netop for at verificere denne antagelse var der i forsøget rapporteret i [4] anordnet en sådan fugearmering forsynet med straingauges. Målinger under forsøget viste betydelige tøjninger (ca. 2 o / oo ) i tværarmeringen, der således medvirker stærkt til at skabe modhold overfor den omtalte spaltevirkning. 3.3 Udformning af testemne Jævnfør [5] opstod en del tekniske problemer ved gennemførelsen af forsøget rapporteret i [4], dels vedrørende deformationsforhold, dels vedrørende lastopstillingen. Forsøget blev udført med et testemne bestående af to huldæk sammenstøbt med indbyrdes længdefuge, tværfuger for enderne og kantfuger langs siderne. For ikke at overføre last fra huldækkene til kantfugerne var der indlagt en adskillelse mellem huldæk og kantfuger. Armeringen i tværfugerne var vinkelbukket for enderne og ført videre ind i kantfugerne netop for at opnå den effektive forankring nævnt i afsnit 3.2. Under brandpåvirkningen viste det sig, at kantfugerne fik langt mindre deformationer end huldækkene, hvilket medførte at huldækkene vred sig markant BEF doc Side 9 af 24

10 For at undgå den form for forstyrrelser blev testemnerne til forsøgene på SP udformet som vist i bilag 1, hvor idéen er, at selve testzonen (der er 2,35 m bred) på hver side ud mod kantfugerne omgives af en 1,775 m bred randzone udført i samme type huldæk som testzonen. Huldækkene i testzonen og i den nærmeste del af randzonerne vil dermed for brandpåvirkningen kunne påregnes at deformere sig nogenlunde ens. Dette er væsentligt, eftersom nedbøjningerne fra temperaturpåvirkningerne er i størrelsesordenen 20 gange større end den rent statisk betingede nedbøjning i testzonen. Testzonen er adskilt fra randzonerne ved at dækelementerne dette sted er gennemskåret med et snit på langs, lodret gennem en kanal. Snittene er udført før sammenbygning, hvor dækhalvdelene omkring snittene blev oplagt tæt sammen med mineraluld indlagt i de to gennemskårne kanaler. Fladstål Lastplade 0,135 m 0,6625 m 3,27 m 1,775 m (randzone) 2,35 m (testzone) 1,775 m (randzone) 0,135 m Testzonen omfatter således ét helt og to halve huldæk, og med den valgte dæktype (t = 265 mm) vil testzonen dermed omfatte i alt 8 normalribber samt to længdefuger hver med to tilstødende sideribber i elementerne. Det bemærkes, at de to sideribber omkring en længdefuge i runde træk regnes sidestillet med én normalribbe for optagelse af forskydningskræfter. Ved forsøget påføres enkeltkræfter fra hydrauliske presser virkende på de viste lastplader, hvis afstand fra elementenden er fastlagt svarende til pren 1168 s regler for prøvning af forskydningskapaciteten i kold tilstand. Der tilstræbes ved lastarrangementet (jf. nedenstående afsnit 3.6) en betydelig BEF doc Side 10 af 24

11 statisk bestemthed i lastvirkningen på de enkelte ribber, og da lastens afstand fra vederlaget yderligere betyder at lastspredning sideværts er yderst beskeden, vurderes påvirkningerne af elementet midt i testzonen stort set at være uanfægtet af forholdene ude i randzonen. Fugerne i testemnet med tilhørende fugearmering blev udført i overensstemmelse med [2]. 3.4 Valg af huldæktype og konditionering Forsøgene er valgt udført med den type huldæk (t=265 mm), der har den mindste ribbeandel (samlet ribbebredde pr. m tværsnit) blandt gængse dæk på det danske marked. Se nedenfor. 400 Ribbeandel (mm / m) t = 265 mm Dæktykkelse (mm) Betonelement Boligbeton Tinglev Spæncom Kähler Samtidig ligger denne dæktypes tykkelse midt i spektret, så resultaterne fra forsøgene vurderes at være bredt dækkende for forholdene i Danmark. Armeringen i huldækkene til forsøgene bestod af 10 stk 12,5 mm liner, én i hver kantribbe og to i hver af de øvrige ribber. For den pågældende dæktype har Betonelement A/S oplyst følgende, regningsmæssige forskydningskapacitet i kold tilstand bestemt iht. DS411 på basis af funktionsprøvning med lastopstilling iht. pren 1168: V ud(kold) = 91,6 kn/m Huldækkene til anvendelse i testzonen blev fremstillet i august 2004 og konditioneret til et fugtindhold på 2,28% på forsøgstidspunktet BEF doc Side 11 af 24

12 3.5 Belastninger Inden for kantudstøbningen har huldækkene et vederlag på 65 mm, så huldækkenes teoretiske spændvidde bliver: L = 3,27 0,135 0,135 0,065 = 2,935 m Det teoretiske forskydningsfag i den side lasten påføres bliver: a = 0,6625 0,065 / 2 = 0,63 m idet 2½ x h = 0,6625m, hvor h = 0,265 m er huldækkets højde. Forsøgene gennemførtes ved 3 forskellige lastniveauer: SP-1: V d(brand) = 65% af V ud(kold) = 59,55 kn/m SP-2: V d(brand) = 75% af V ud(kold) = 68,76 kn/m SP-3: V d(brand) = 80% af V ud(kold) = 73,30 kn/m Belastning ved lastniveau V d(brand) = 65% af V ud(kold) På hver af de 5 lastplader påføres en enkeltkraft på P o = 32,3 kn Lastpladerne er stålplader txbxl = 30x100x340 mm, og de fordeles jævnt på det underliggende fladstål txbxl = 20x100x2300 mm. Disse stålemner vejer ca. 0,3 kn/m, så i alt bliver linielasten i den egentlige testzone: p = 5 x 32,3 / 2,35 + 0,3 = 69,0 kn/m Huldækkets egenvægt incl. fugeudstøbninger er 3,65 kn/m 2, så forskydningskraften i huldækket bliver v = 0,5 x 2,935 x 3,65 + (2,935 0,63) x 69,0 / 2,935 = 59,55 kn/m BEF doc Side 12 af 24

13 Belastning ved lastniveau V d(brand) = 75% af V ud(kold) P o = 37,8 kn p = 5 x 37,8 / 2,35 + 0,3 = 80,73 kn/m v = 0,5 x 2,935 x 3,65 + (2,935 0,63) x 80,73 / 2,935 = 68,76 kn/m Belastning ved lastniveau V d(brand) = 80 % af V ud(kold) P o = 40,5 kn p = 5 x 40,5 / 2,35 + 0,3 = 86,5 kn/m v = 0,5 x 2,935 x 3,65 + (2,935 0,63) x 86,5 / 2,935 = 73,30 kn/m 3.6 Lastarrangement Belastningen på oversiden påføres med 5 stk. hydrauliske presser, der er parallelforbundne til trykmaskinen. For at kontrollere lastvirkningerne monteres en trykcelle under hver presse, så den enkelte presses lastvirkning kan følges løbende under forsøget BEF doc Side 13 af 24

14 Ved lastniveauet V d(brand) = 75% af V ud(kold) ser forholdene i et tværsnit i testzonen ved lastarrangementet således ud: C L 37,8 kn 37,8 kn 37,8 kn 37,8 kn 37,8 kn 0,215 m 0,48 m 0,48 m 0,48 m 0,48 m 0,215 m testzone, b = 2,35 m Fladstålet (txbxl = 20x100x2300 mm, stål S355) oplægges i mørtel på huldækket på tværs af testzonen som vist på planen tidligere. Herpå oplægges de 5 lastplader (txbxl = 30x100x340, stål S235), placeret som vist. De hydrauliske presser virker centralt med lasten 37,8 på hver af de 5 lastplader. Bøjningsspændingen i lastpladerne bliver, idet ribbeafstanden i huldækket er 240 mm: = ( 1 / 4 x 37,8 x 240 x 10 3 ) / ( 1 / 6 x 100 x 30 2 ) = 151 MPa Hvis én ribbe er lidt svagere end naboribberne vil fladstålet under lastpladerne sørge for en lokal omfordeling. Hvis eksempelvis den pågældende ribbe skal aflastes for 4,0 kn bliver bøjningsspændingen i fladstålet = ( 1 / 4 x 4,0 x 480 x 10 3 ) / ( 1 / 6 x 100 x 20 2 ) = 72 MPa og den tilsvarende udbøjning af fladstålet bliver beskeden: u < ( 1 / 48 x 4,0 x x 10 3 ) / ( x 1 / 12 x 100 x 20 3 ) = 0,7 mm Fladstålets flydetøjning er 355 / = 0,0017, så hvis huldækket på grund af uensartet respons på temperaturpåvirkningen krummer i tværretningen, vil fladstålet uden flydning kunne følge med til en krumning af størrelsen: BEF doc Side 14 af 24

15 = 0,0017 / ( 1 / 2 x 20) = 0,00017 mm 1 hvilket svarer til en nedbøjning på midten u = 1 / 8 x 0,00017 x = 112 mm Denne udbøjningsfigur vil svare til et moment i fladstålets midte på M = 1 / 6 x 100 x 20 2 x 355 x 10 6 = 2,36 knm hvilket svarer til at de midterste ribber i testzonen sammenlagt aflastes med i størrelsesordenen 4 kn. Alt i alt vil en jævn krumning i huldækkets tværretning dermed kun kunne få beskeden indflydelse på forsøgsresultatet. 3.7 Brandforløb Testemnerne blev monteret over ovnen, hvor undersiden af dækkene blev eksponeret for en 60 minutters brand iht. standardbrandkurven, tidligst begyndende ½ time efter belastningen var blevet påført på dækoverside. Efter de 60 minutter blev varmetilførslen afbrudt og forsøget gik over i en 1-1½ time lang afkølingsfase med belastningen opretholdt. Nedenfor ses temperaturforløbene ved forsøgene. Middel temperaturstigning i ovn (Celsius) Tid (minutter) SP-3 SP-1 SP BEF doc Side 15 af 24

16 4 Forsøgsresultater Forsøgene udført på SP viser, at korrekt indbyggede huldæk besidder fortrinlige brandmæssige egenskaber. Forløbene ved de to første forsøg var meget ensartede, med jævn udvikling af nedbøjninger og revnedannelser. Disse forsøg forløb uden der på noget tidspunkt indtrådte brud, afskalninger eller andre væsentlige skader på huldækkene. Hverken i det én time lange brandforløb eller i den efterfølgende afkølingsfase på ca. 1½ time. Ved det tredje forsøg, hvor dækkene var belastet svarende til 80% af den deklarerede regningsmæssige styrke i kold tilstand, indtrådte brud efter 45 minutter. Indtil dette tidspunkt var forløbet lige så ensartet som ved de to første forsøg. Nedenstående billede viser undersiden af dækelementerne ca. 45 minutter efter starten på brandforløbet under forsøget SP-1. Nedbøjningerne udviklede sig gennem forsøgene meget jævnt, se nedenfor BEF doc Side 16 af 24

17 Tid (minutter) SP Nedbøjninger (mm) -60 Tid (minutter) SP Nedbøjninger (mm) -60 Tid (minutter) SP Nedbøjninger (mm) -60 De viste nedbøjninger er målt ca. midt i spændet mellem huldækkenes vederlag. Den nederste kurve på hvert diagram viser nedbøjningerne midt i BEF doc Side 17 af 24

18 testzonen, de to andre kurver viser nedbøjningerne midt i de to halve elementer i testzonen dvs. ca. 900 mm til siden for det midterste målepunkt. Branden er startet ved tiden 0 minutter, og kurverne før dette tidspunkt viser de relativt beskedne nedbøjninger forårsaget af den påførte ydre belastning i kold tilstand. Belastningsforløbene ses nedenfor. Tid (minutter) SP-3 SP-2 SP Linielast (kn/m) Relativt tidligt under brandforløbet blev der konstateret indglidning af huldækkenes spændliner. Indglidningen blev målt på små målepinde svejst til nogle af lineenderne og ført ud gennem tværfugen for enden af elementerne. lineindglidning BEF doc Side 18 af 24

19 Lineindglidningen blev målt på 3 lineender i lastsiden (nr. 1, 2 og 3) samt på 3 lineender (nr. 4, 5 og 6) i den ubelastede ende af huldækkene i testzonen: Tid (minutter) Lineindglidning (mm) nr 1 nr 2 nr 3 nr 4 nr 5 nr 6-2 Diagrammet viser målingerne fra SP-1. Omfanget af lineindglidningen var forskelligt i de 3 forsøg, jævnfør bilag 2. Generelt var lineindglidningen ikke større end mm, dog lidt større for en enkelt line i forsøg SP-3. Under forsøgene blev endvidere generelt konstateret et betydeligt antal revner i tværfugerne for enden af elementerne. Disse revner lå ret tæt med en indbyrdes afstand på omkring mm og typiske revnevidder lå skønsmæssigt i størrelsesordenen 0,3 0,5 mm jævnfør efterfølgende foto BEF doc Side 19 af 24

20 5 Litteraturliste [1] Huldæk og Brand dansk og udenlandsk praksis, ( xls_lign_docs/rapport.pdf) [2] Huldæk og brand ny udførelsesanvisning (brand) Betonelement-Foreningen, februar 2003 ( [3] Huldæk og brand ny designregel (huldæk) Betonelement-Foreningen, december 2002 ( xls_lign_docs/huldaek_og_brand.doc) [4] Test report, file no. PG11304 Danish Institute of Fire and Security Technologi, ( xls_lign_docs/pg11304_pdf.pdf) [5] Evaluering af brandtest udført 2. november 2004, ( xls_lign_docs/evaluering_af_brandtest.doc) [6] pren1168:2005 Precast concrete products - Hollow core slabs CEN-standard (status: approved) [7] Report No: Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, maj [8] Report No: Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, maj [9] Report No: Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, maj BEF doc Side 20 af 24

21 Bilag 1: Produktionstegninger af testemner BEF doc Side 21 af 24

22 17681-BEF doc Side 22 af 24

23 17681-BEF doc Side 23 af 24

24 Bilag 2: Lineindglidning Tid (minutter) Lineindglidning (mm) SP-1 nr 1 nr 2 nr 3 nr 4 nr 5 nr 6-2 Tid (minutter) Lineindglidning (mm) SP-2 nr 1 nr 2 nr 3 nr 4 nr 5 nr 6 Tid (minutter) Lineindglidning (mm) SP-3 nr 1 nr 2 nr 3 nr 4 nr 5 nr BEF doc Side 24 af 24