Strukturelle integritet til massivtrekonstruksjoner i brann

Abstract

Denne oppgaven har bakgrunn i brannforskning knyttet til økt bruk av massivtre og da spesielt eksponerte overflater. Oppgaven er skrevet som en krysning mellom brannsikkerhet og konstruksjonssikkerhet. Oppgaven tar for seg problemstillingen; hva skjer med et bygg hvis en del av konstruksjonen mister sin bæreevne som følge av brann. Hvordan vil resten av bygget oppføre seg, og hva har brannsikkerhet å si for konstruksjonssikkerheten. Denne oppgaven er en videreføring av prosjektoppgaven Etasjeskillere i eksponert massivtre utsatt for brann som så på restkapasiteten til massivtre som gradvis mistet bæreevne på grunn av brann. Denne oppgaven bygger videre og ser på hva en eventuell kollaps vil si for et større system. Hvordan påvirker brannsikkerheten konstruksjonssikkerheten? Brann er dessverre et fenomen som er vanskelig å forhindre, derfor gjøres det mange tiltak for å ikke bare forhindre at en brann starter, men også forhindre at den sprer seg. Denne begrensningen av spredning er viktig både for personsikkerhet, men også konstruksjonssikkerhet. Hvis en brann skulle oppstå, hva må til for at konstruksjonen er i stand til å tåle påkjenningen, men også hindre videre spredning. Hvis brannen holdes lokal så kan situasjonen lettere kontrolleres. I denne oppgaven lages det en modell som skal simulere et kontorbygg i massivtre, det tas et utsnitt i 2d som ser på påkjenningen på den enkelte rammen. Modellen forteller noe om hvordan resten av bygget reagerer hvis en brann skal oppstå og hvordan konstruksjonen svarer på denne påkjenningen, hvis en branncelle mister sin bæreevne, så vil konstruksjonen stå hvis rammen er i stand til å distribuere kreftene over til konstruksjonsdeler som har bedre kapasitet og ikke er påvirket av brann. Derfor etableres det en mellomting mellom ledd-forbindelser og momentstiveforbindelser ved hjelp av en fjærmotstand som tilsier at selv om en forbindelse er leddet så vil den i praksis ha en stivhet som kan bidra til å omfordele kreftene. Gjennom håndberegning for brannpåkjennelse og reduksjon av tverrsnitt så deles konstruksjonen inn i brannceller der 3 scenarioer testes i analyseprogrammet Focus konstruksjon. Der brukes den beregnede tverrsnittsreduksjonen over flere tidsintervaller, i Focus for å se hvordan resten av konstruksjonen oppfører seg når en del av rammen plutselig mister stadig mer stivhet og bæreevne. Resultatene viser at konstruksjonen må være i stand til å fordele krefter og hindre spredning, slik at ved loka kollaps så kan bygget stå, det avhenger av den begrensende evnen til branncellene og knutepunktenes evne til å omfordele krefter. Det er flere deler av konstruksjonen som har lavere utnyttelse av sin bæreevne som er i stand til å ta ekstra last for å sørge for at konstruksjonen står støtt.

This theesis springs from new research on fire safety regarding the growing use of CLT (Cross laminated Timber), especially exposed CLT. The theesis is written as a crossover between fire safety and structural safety. The problem statement is as follows: what happens to a building if a part of the structure loses its ability to carry the load because of a fire. How will the remaining part of the structure behave and what does the fire safety have to say for the structural safety. This thesis is a continuation of the project report Etasjeskillere i eksponert massivtre utsatt for brann which looked at the rest capacity of CLT slabs which loses its strength because of a fire. This thesis continues by investigating how a collapse could affect a bigger system. How does fire safety affect structural safety? Fire is unfortunately a phenomenon which is hard to prevent, therefore, a lot of measures are put into place not only to prevent a fire but to prevent it from spreading. This restriction of spreading is important not just for personal safety but also structural safety. In the case of a fire, what is required of the structure for it to be able to carry the fire load but also restrict further spread. If the fire is kept local, the situation can more easily be controlled. In this thesis a model is created to simulate an office building in CLT, and a section of the building in 2d which looks at the stress and strain in the 2d frame. The model tells us how the rest of the structure reacts to this stress and strain, if a fire cell loses its strength, and the structure will stand if the joints are able to distribute the forces over to parts of the structure which still has its load bearing capacity. In that regard, a middle way between hinged and fixed connection is created, a so-called spring stiffness which gives the joints some moment capacity even though it is hinged, this stiffness can help distribute the forces. Through hand calculations for fire damage to the structure and reduction of the cross sections due to this fire, the structure is divided into fire cells where 3 scenarios are tested in the analytical program Focus konstruksjon. There, the calculated reduced cross section is used over several time intervals during a fire to see how the rest of the structure reacts when a part of the frame loses its stiffness and load bearing capability. The results show that the structure needs to be able to distribute the powers, such that a local collapse doesn’t force the whole building down. This is dependent on the fire cell’s ability to prevent spreading and the connections is the joints’ ability to distribute the forces present. There are several parts of the structure who has not fully used its load bearing capacity and can take on some redistributed powers in order to ensure that the structure stands.