Brandpåverkan på samverkanskonstruktion : En utvärdering av betongfylld stålprofil

Sammanfattning: En samverkanspelare drar nytta av interaktionen mellan det omslutande stålröret och profilens betongkärna för att därav erhålla en ökad lastkapacitet. För att förstå beteendet och effekterna av interaktionen mellan stål och betong är det viktigt att förstå de enskilda materialens beteende. Betongens huvudsakliga uppgift i en samverkanspelare är att ta upp tryckkrafter medan stålets främsta uppgift är att motverka momentpåkänning och uppta dragkrafter. I normal rumstemperatur samverkar stål och betong för att bära den aktuella lasten. Samverkanspelaren har stor potential med avseende på lastkapacitet. Nedan tas några av de förväntade positiva effekterna av interaktionen mellan stål och betong upp: Förekomsten av buckling för stålet försenas samtidigt som den försämrade bärförmågan efter lokal buckling uppstått dämpas, beroende på betongkärnans återhållande effekt. Förhindrar spjälkning och hållfasthetsnedsättningen för betongen blir inte lika drastisk. Ökad tryckhållfasthet och deformations kapacitet, speciellt för grövre tvärsnitt. Vid ett brandscenario utsätts pelaren för en temperaturhöjning. Värmeöverföringen från brandgaserna till pelaren sker främst genom strålnings- och konvektionsvärme. Lastkapaciteten för pelarens ingående material kommer att reduceras till följd av denna värmeökning. Storleken för reduceringen beror på hur hög temperatur materialen utsätts för, där en högre temperatur medför en kraftigare reducering. För den betongfyllda stålprofilen kommer således det omkringliggande stålet att fort bli mycket varmt medan betongkärnan erhåller en trögare temperaturökning. I brandfallets initialskede expanderar stålet hastigare än betongen, vilket medför att stålet då i princip bär hela den aktuella lasten. Efter en tid förmår inte stålet längre att vara lastbärare och betongkärnan bär då istället lasten. Pelarens slutliga kollaps sker först då betongkärnan slutligen inte förmår belastningen. En jämförande teoretisk undersökning av samverkans-, betong- och stålpelare under termisk påverkan genomfördes i detta arbete. Beräkningsgången följer de dimensioneringsregler som finns för respektive material i Eurocodes. Kapacitetsberäkningar är gjorda för både normal rumstemperatur likväl som för brandutsatthet. För analys och bestämning av pelartvärsnittens temperaturprofil vid de olika tidsstegen 30, 60 och 90 minuter användes ett nominellt brandförlopp. Tvärsnittens temperaturhistoria användes sedan för att reducera de mekaniska egenskaperna som funktion av temperaturen.Undersökningen konstaterade att samverkans- och betongpelarens kapacitet vid 60 minuters brandpåverkan var tillräcklig. Hand- och datorberäkningar påvisade nästintill likvärdig lastkapacitet vid termisk påverkan och normaltemperatur.