Brannteknisk dimensjonering av stålkonstruksjoner: Påkjent av naturlige brannforløp

Abstract

I korte trekk har denne masteroppgaven tatt for seg en bestemt stålkonstruksjons respons på en samtidig opptredende brann og mekanisk last. Hensikten har hovedsakelig vært å simulere et naturlig brannforløp. Dette kan gjøres ved moderne analyseverktøy. Samtidig kan annet beregningsverktøy se på blant annet temperatur- og spenningsutvikling i konstruksjonen som eksponeres for brannforløpet. Konstruksjonen er valgt til å være en ramme.

Ulike brannmodeller er vurdert. Dette innbefatter både de generelle brannkurvene, ulike parametriserte brannkurver og simulering med teknologien CFD, Computational Fluid Dynamics. Noe teori rundt disse verktøyene er presentert. Eksemplifisering er i tillegg utført for å vise resultatene av vurderinger og valg på en bedre måte. Hovedsakelig er CFD vektlagt som verktøy, fordi dette er de mest tilgjengelige avanserte hjelpemiddelet. Generelle brannkurver er også tatt med i eksemplene.

For konstruksjonens respons er ANSYS Workbench anvendt som analyseverktøy. Dette programmet baserer seg på beregninger ved hjelp av elementmetode. I tillegg bidrar rammeprogrammet Focus Konstruksjon med nødvendige hjelpeberegninger. Tradisjonelle hjelpemidler som standarder er også vurdert. En del av teorien er også hentet herfra. Masteroppgaven behandler også teori knyttet til stålets mekaniske og termiske egenskaper. I tillegg beskrives ulik passiv og aktiv beskyttelse av dette materialet. Disse faktorene påvirker konstruksjonens respons.

Det viser seg at overgangen mellom simuleringsverktøy og responsberegninger kan være utfordrende. De ulike parameterne, som konduksjon, konveksjon og stråling, fører til ulikheter i hvordan konstruksjonen responderer på oppheting. Påføring av termiske parametere kan i tillegg være krevende. Dette gjelder også oppbygging av modellen for stålkonstruksjonen. Oppdeling av modellen i mindre moduler for bedre å simulere temperaturfordeling kan være en omstendelig prosess. Imidlertid kan disse utfordrende oppgavene trolig utføres raskere ved økt kunnskap og erfaring.

Beregninger ved hjelp av generelle brannkurver og tradisjonelle metoder i standarder gir sikre resultater. Derimot er ikke dette nødvendigvis det mest økonomiske alternativet. En slik fremgangsmåte kan føre til ekstra brannisolering av stålmaterialet. Denne løsningen er for eksempel ikke alltid ønsket av arkitekter.

En mulig løsning på den manglende overensstemmelsen mellom termisk last og respons kan være en endring i modelleringen. Dersom data fra branngasser fra CFD-modelleringen hentes direkte i området rundt stålrammen, kan en modellering av konstruksjonen kanskje være overflødig. Isteden modelleres rammen kun i ANSYS Workbench. Dette programmet tar seg da av den termiske overføringen. Resultatene er imidlertid noe sprikende, og nærmere undersøkelser er trolig nødvendig. En konkluderende fremgangmåte for dimensjonering ved hjelp av tilgjengelige programmer er i tillegg presentert.