Termisk och mekanisk påverkan av komposita bjälklag utsatta för ambulerande bränder: Med hjälp av finita elementmetoden

Abstract: Dagens strukturella system och arkitektlösningar ökar komplexiteten i byggnader medan de brandtekniska lösningar som finns bygger på traditionella metoder. Metoderna förutsätter enhetlig uppvärmning och homogena temperaturförhållanden i hela utrymmet. Denna metod kan ses som acceptabel och ger en giltig representation av mindre miljöer, men kan inte ses som en realistisk definition av en brand i en större miljö. Istället för att brinna lokalt och simultant genom lokalen så tenderar branden i stora lokaler att förflytta sig över golvytan. Detta sker när lågorna sprids, ventilationen förändras på grund av krossade fönster, fall av väggar eller tak. Detta kallas ambulerande bränder.

I januari 2015 utfördes ett fullskaletest rörande ambulerande bränder i Tisova, utanför Karlovy Vary i Tjeckien. Testet och branden utfördes på bottenvåningen av ett fyrvåningshus där träribbstaplar utgjorde bränslet.

Huvudsyftet med examensarbetet har varit att bestämma den termiska och mekaniska påverkan på de bärande byggnadsdelarna i en byggnad med betong- och stålstomme utsatt för en ambulerande brand. Arbetet baseras på en omfattande litteraturstudie och utförda beräkningar representerar responsen av ett komposit bjälklag på bottenvåningen med hjälp av det finita elementprogrammet Abaqus. Subrutiner har använts för att förhindra betongen från att återfå sina gamla materialegenskaper när branden svalnar.

Utförda beräkningar baseras på tre bränder; ISO-834 (ISO), uppmätta temperaturer i fullskaletestet (TFT) och uppmätta temperaturer från en förstudie i FDS som representerar en ambulerande brand (FDS). Resultat från Abaqus utgörs av nodtemperaturer, mittnedböjningar, spänningar och töjningar.

Resultatet visar på att det inte är nödvändigt att använda subrutiner om huvudintresset ligger i temperaturer. Men om fokus är mekaniskt resultat så visar jämförelsen på märkbara skillnader. Vidare så visar resultatet att elementens geometri är viktigt. En mer slank konstruktion som täcker en större yta böjs ned mer än en stubbig och liten konstruktion då den bär på ett tyngre bjälklag i sig.

I slutsatserna uppges det att stora temperaturskillnader, mellan den brandutsatta och icke brandutsatta ytan, leder till stora temperaturgradienter. Stora temperaturgradienter medför stora nedböjningar.