Baigiamajame magistro darbe nagrinėjamas gaisro temperatūrų poveikio vertinimas gelžbetoninėms konstrukcijoms. Aptariami standartinio ir natūralaus gaisro parametrai, skaičiavimo pagrindai, vertinimo kriterijai, bendrieji priešgaisrinio projektavimo reikalavimai, tikslai ir metodai. Analizuojamas gaisro poveikis betono ir armatūros mechaninėms, fizikinėms – cheminėms ir šiluminėms savybėms, temperatūros pokyčio įtaka bendram gelžbetonio darbui. Detaliai išnagrinėtas paprastasis skaičiavimo modelis standartinio gaisro veikiamų gelžbetoninių konstrukcijų laikomajai galiai vertinti, aptartos jo prielaidos. Pateikti 500 °C izotermės ir zonų skaičiavimo metodų principai, vertinimai. Išnagrinėti du analitiniai temperatūros pasiskirstymo betoniniame skerspjūvyje metodai, pateikti jų pavyzdžiai. Parodytas gelžbetoninių konstrukcijų projektavimo metodas pagal lentelių duomenis. Tyrimui sumodeliuotas dviaukštis pastatas, kurio pirmame aukšte nagrinėjamas standartinio gaisro temperatūros poveikis ekscentri����kai gniuždomoms gelžbetoninėms kolonoms. Pastatas sumodeliuotas skaičiavimo programa STAAD Pro 2007 tam, kad gautume realias veikiančias apkrovas nagrinėjamiems konstrukciniams elementams. Skaičiavimai atlikti trims kolonoms, kurių paviršius yra skirtingai veikiamas gaisro temperatūros. Skaičiavimai atlikti pagal analitinio temperatūros sklidimo skerspjūvyje modelį bei pagal temperatūrinius laukus pagal EN 1992-1-2. Analogiškai įvertinamas gaisro poveikis gelžbetoniniu... [toliau žr. visą tekstą] / This master thesis considers effect of fire temperatures on reinforced concrete structures. Parameters and mathematical characteristics of standard and natural fire, also objectives and methods of fire engineering is given. Mechanical, physical – chemical properties and behaviour of concrete and reinforcement separately and as composite structure analysed. Details and assumptions of simple calculation model stated. Principles of zone method (method of slices) and 500 °C izotherm (reduced section method) discussed. Two empirical methods examined for calculation of temperatures and heat rise in concrete element, presentation and examples is given. Design of reinforced concrete elements using tabulated data showned. Two – storey building designed using structural design and analysis software STAAD Pro. Building model is portrayed to obtain realistic loads on estimated elements. Calculations of fire resistance performed with three columns differently affected by temperature load. Fire design and analysis performed applying and comparing temperature fields received by calculation using empirical methods and charts given in EN 1992-1-2. Parallel analysis aplied on reinforced concrete columns strengthened with casing. Structure: introduction, literature review, research part, conclusions and suggestions, references. Thesis consist of: 96 p. text without appendixes, 84 pictures, 14 tables, 28 bibliographical entries.

När byggnadsdelars brandmotstånd provas och klassificeras används nästan enbart standardbrandkurvan som definierad temperaturexponering över tid. Brandexponeringen beskrivs i den europeiska standarden EN 1363-1 samt den internationella standarden ISO 834. Standardbrandkurvan definierades för över 100 år sedan i en tid när kunskapen om branddimensionering var bristfällig. Dagens standardbrandkurva är till viss del modifierad men ser i stort sett ut på samma sätt som för 100 år sedan. Ett annat sätt att dimensionera byggnadsdelar på är teoretiskt med hjälp av de parametriska brandkurvorna och materialmodellerna i Eurokoderna. I EN 1991-1-2 bilaga A presenteras en beräkningsmetod, Eurokodmodellen, som resulterar i temperatur-tidkurvor. Denna metod tar hänsyn till hur den slutgiltiga rumsgeometrin och brandlasten ser ut och till skillnad från standardbrandkurvan innehåller den dessutom en avsvalningsfas. Därav anses de parametriska brandkurvorna beskriva verkliga bränder bättre än vad standardbrandkurvan gör. I detta arbete har temperaturutvecklingen i lägenhets- och rumsbränder, baserade på riktiga lägenhetsgeometrier, beräknats med Eurokodmodellen i syfte att jämföra temperatur-tidkurvorna med standardbrandkurvans temperaturexponering. Arbetet påbörjades med en litteraturstudie för att ge en djupare förståelse inom ämnet. Därefter samlades ritningar in från riktiga lägenheter som låg till grund för ett ritningsunderlag. Ritningsunderlaget användes sedan som input till beräkningsmetoden i EN 1991-1-2 bilaga A. För att underlätta beräkningarna skapades ett beräkningsdokument i Excel enligt Eurokodmodellen, där alla beräkningarna genomfördes. Fyra olika scenarier skapades som innefattar två olika termiska trögheter samt två olika öppningsfaktorer för varje termisk tröghet. Anledningen till det var att det ansågs intressant att beakta i vilken utsträckning dessa två parametrar påverkar brandförlopp. Det resulterade i att scenario 3 med lägre termisk tröghet och högre öppningsfaktor var det scenario med kraftigast brandförlopp avseende tillväxthastighet och temperatur. I förhållande till standardbrandkurvan hade majoriteten av temperatur-tidkurvorna för scenario 3 en snabbare upphettningsfas med högre temperaturer fram till påbörjad avsvalningsfas. Scenario 2 med högre termisk tröghet och lägre öppningsfaktor resulterade i det motsatta, det vill säga ett längre brandförlopp med lägre temperaturer. Vid en jämförelse visar det sig att för majoriteten av kurvorna enligt scenario 2, så var temperaturen lägre än standardbrandkurvans under hela brandförloppet. Öppningsfaktorn styr vilken mängd syre som kommer in i brandrummet, en högre öppningsfaktor betyder mer syre och intensivare brandförlopp. Termiska trögheten reglerar hur långsamt brandrummet värms upp, en låg termisk tröghet innebär att brandrummet värms upp snabbare och resulterar därmed i högre temperaturer då mindre energi absorberas av väggarna. De beräknade lägenhets- och rumsbrändernas temperatur-tidkurvor stämde överlag bättre överens med standardbrandkurvan än förväntat. Givet att golv och tak är betong och väggar gips samt att brandlasten som definierats av Boverket är korrekt, är slutsatsen att standardbranden fungerarar bra i de flesta fallen. Dock är tillväxthastigheten i standardbranden lägre i vissa av scenarierna men har i många fall en temperatur vid 60 minuter som överstiger scenariernas. Det finns dock utrymme för utveckling av brandmotståndstester då en mängd av de beräknade lägenhets- och rumsbränderna översteg standardbrandkurvan under tidsperioder på över 30 minuter, något som hade kunnat äventyra de brandskyddstekniska kraven. Men eftersom majoriteten av de beräknade bränderna understeg standardbrandkurvan kan kraven och standardbrandkurvan oftast anses överdimensionerade utifrån genomfört arbete. / When construction parts are tested in order to try and classify the fire resistance, the standard fire curve is almost only used. The standard fire curve defines exposure from temperature over time. The fire exposure is described in the European standard EN 1363-1 and in the international standard ISO 834. The standard fire curve was defined for over 100 years ago, in a time when the knowledge in fire design was inadequate. Now days the standard fire curve is a bit modified, but it almost remains the same as the fire curve defined for 100 years ago. Another way to design construction parts is theoretical by using parametric fire curves and the material models in the Eurocodes. In EN 1991-1-2 appendix A, a method to calculate parametric fire curves is presented, the method results in temperature-time curves and is known as the Eurocode model. This method considers the final room geometry and fire load, it also contains a cooling phase unlike the standard fire curve. Therefore, the Eurocode model is considered to be better at describing real fires. Compartment and room fires based on geometries from real apartments, will be calculated with the Eurocode method in order to compare the temperature-time curves against the exposure of the standard fire curve. The project started with a study of former literature to give a deeper understanding in the current subject. After that, real apartment drawings were collected to represent real apartments. The drawings were then used as input for the calculation method in EN 1991-1-2 appendix A. To calculate in a more effective way an Excel spread sheet was created for the calculation method according to the Eurcode model, which later has been used for all calculations. Four different scenarios were created, including two different thermal inertia and two different opening factors for each thermal inertia. The reason why was that it seemed to be interesting to examine in what extent these parameters affect a fire. It resulted in that scenario 3, the scenario with a lower thermal inertia and a higher opening factor, were the scenario with the fastest growing fire and with the highest temperatures. In comparison with the standard fire curve, scenario 3 had a majority of fires that exceeded the standard fire curve’s temperatures until the cooling phase begun. Scenario 2 which had a higher thermal inertia and a lower opening factor resulted in the opposite, that is a fire burning during a longer time with overall lower temperatures. In comparison with the standard fire curve scenario 2 had a majority of fires with lower exposure of temperature than the standard fire curve, during the entire time of fire. The opening factor controls which amount of oxygen that flows in to the fire compartment, an increase of the amount of oxygen leads to a more intensive fire. The thermal inertia controls how slowly something gets warmed up, a lower thermal inertia means that the fire compartment warms up faster and resulting in higher temperatures as less energy is absorbed by the walls. The calculated compartment and room fires temperature-time curves was in a better agreement with the standard fire curve than expected. Given that the floor and roof is concrete, the walls is gypsum and together with the assumption that the fire load defined by Boverket is correct, is the conclusion that the standard fire works well in most cases. However, the fire growth rate is lower for the standard fire than for some calculated cases but have a temperature at 60 minutes that exceeds most of the calculated cases at the same time. The fire resistance tests can still develop since a big amount of the calculated temperature-time curves exceeded the standard fire curve in periods of time over 30 minutes, something that could affect the fire protection requirements. But the majority of the calculated fires had an exposure of temperature under the standard fire curve. Therefore, the standard fire and the requirements can sometimes be considered oversized based on the work that been done.

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. / A concrete-filled steel column is taking advantage of the interaction between the enclosing steel profile and the concrete core to obtain an increased load capacity. In order to understand the behavior and effects of the interaction between steel and concrete, it is important to first understand the individual material behavior. The main task of the concrete in a composite column is to absorb pressure forces while the steel's main task is to counteract stress and the tensile forces. At normal room temperature both steel and concrete interact to carry the current load. Concrete-filled steel column has a great potential according to load capacity. Some of the expected positive effects of the interaction between steel and concrete are: The occurrence of buckling for the steel is delayed and the strength deterioration after the local buckling is moderate, both due to the restraining effect of concrete. Prevents the concrete spalling and strength reduction of concrete core will not be as drastic. Increased compressive strength and deformation capacity, especially for large-diameter cross-section. In a fire scenario the column is exposed to a temperature increase. Heat transfer from the combustion gases to the column occurs mainly through radiation and convection heat. The load carrying capacity of the included materials will be reduced as a result of this heat transfer. The size of the reduction depends on how high temperature the materials are exposed to, where a higher temperature leads to a greater reduction. For the concrete-filled steel column, the surrounding steel profile will quickly become very hot while the concrete core obtains a slower rise in temperature. In the initial stage of the fire case the steel expands faster than the concrete, causing the steel to then basically carry the entire load of the column. After some time the steel will be incapable of carrying the load, then instead the concrete core will be the main load carrier. The final collapse of the column occurs only when the concrete core finally will be incapable to carry the load. A comparative theoretical study of concrete-filled steel column, concrete- and steel columns under thermal effects was carried out in this work. The calculation method followed the design rules that exist for each material in the Eurocode. Column capacity calculations are made for both normal room temperatures as well as for fire exposure. The ISO-standard fire curve was used for analysis and determination of each column cross-section temperature profile at the different time stages 30, 60 and 90 minutes. The mechanical properties were then reduced as a function of the temperature. The survey found that the composite and concrete column load capacity exposed to 60 minutes of the ISO-standard fire curve was adequate. Calculations made by hand and with computer showed almost equivalent load capacity by thermal effects and normal temperature.

Alvenaria estrutural é um sistema construtivo em que paredes exercem tanto função estrutural como de vedação. Apesar de ser largamente utilizada no Brasil atualmente, não há uma norma nacional com procedimentos para o dimensionamento deste sistema em situação de incêndio. Muito se deve pelo fato de as pesquisas nesta área serem substancialmente escassas se comparadas com os sistemas construtivos em concreto armado ou aço. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo realizar ensaios experimentais para avaliar a resistência residual de compressão da alvenaria estrutural com blocos de concreto. Foram avaliadas duas variações de blocos de concreto, com resistências características de 4,0 e de 10,0 MPa, ambos com espessura nominal de 140 mm e os corpos de prova estudados foram os prismas e as pequenas paredes. Realizou-se a caracterização física, geométrica e mecânica da alvenaria em temperatura ambiente e na sequência os corpos de prova foram submetidos a uma simulação de incêndio-padrão normalizado pela ISO 834-1:1999, durante 120 minutos que é o TRRF máximo recomendado pela ABNT NBR 14432:2001. Na primeira fornada foram avaliados os elementos de 140 mm sem revestimento e segunda fornada todos os elementos revestidos com uma camada de 5 mm de gesso. Após o resfriamento lento até a temperatura ambiente, os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de compressão simples para avaliar a resistência residual de compressão dos blocos, prismas e pequenas paredes. Em todos os casos as resistências encontradas ficaram abaixo do suficiente para garantir a segurança durante a ação de um incêndio, uma vez que o máximo de resistência residual encontrado foi de 22%. A influência da compartimentação na resistência residual das pequenas paredes, foi brevemente avaliada, para isso três pequenas paredes de 4,0 MPa e 140 mm com o interior isolado dos gases externos foram submetidas ao incêndio-padrão e compressão pós resfriamento, verificou-se que a perda de resistência neste caso foi de 54% enquanto nas pequenas paredes com fogo em todas as faces e expostas ao fogo pelo mesmo período a perda foi de 86%. Estas pequenas paredes compartimentadas foram instrumentadas com a finalidade de avaliar a transferência de calor ao longo da sessão transversal e verificar o tempo de atendimento do critério de isolamento, que neste caso foi de 62 minutos, abaixo do TRRF máximo de 120 minutos. / Structural masonry is a building system that walls work as structure and has sealing function too. Even though it is widely used in Brazil nowadays, there is no national standardization for the masonry design in fire situation. One of the reasons is that researches in this area are substantially sparse if compared with other building systems like reinforced concrete and steel. In this context, the purpose of this work is to evaluate the residual compressive strength of concrete structural masonry by experimentally tests. Two concrete block variations were evaluated, with strengths of 4,0 and 10,0 MPa, both with 140 mm nominal thickness, the elements studied were prisms and walls, beyond blocks. In the first stage, the masonry was characterized in ambient temperature and in the second stage, the elements were submitted to fire simulation standardized by ISO 834-1: 1999 for 120 minutes, which is the maximum TRRF recommended by ABNT NBR 14432: 2001. In the first fire simulation the 140 mm elements were evaluated without covering and in the second one, all the elements were covered with 5 mm layer of plaster. Then, after slow cooling until ambient temperature, the residual compressive strength of the blocks, prisms and walls was evaluated by compression test. In all cases the resistances were not enough to ensure safety during the fire, since the maximum residual resistance found was 22%. Still in this stage, the influence of the compartmentation on the residual resistance of the walls was briefly evaluated. Three walls of 4.0 MPa and 140 mm were placed in a triangle that was thermally insulated inside, and after the fire simulation were subjected in a post-cooling compression test. The loss of resistance found in this case was 54% while in the walls with fire on all faces and exposed to fire for the same period the loss was 86%. These compartmentalized walls were instrumented with the purpose of evaluating the heat transfer along the cross section and to check the time of the isolation criterion attendance, which in this case was 62 minutes, below the 120-minute established as maximum TRRF.

Dagens byggregler avseende hållfasthet för brandutsatta konstruktioner vilar starkt på brandpåverkan av standardbrandkurvan. Denna brandkurva representerar dock ej en naturlig brand särskilt väl. EKS (Boverkets tillämpning av europeeiska konstruktionsregler) ger även möjlighet för att använda naturliga brandförlopp för att utvärdera en byggnadsdels hållfasthet. Brandteknisk forskning har påvisat att det finns metoder som kvantitativt kan jämföra olika brandförlopps påverkan på byggnadsdelar med varandra, dessa metoder har utvecklats genom historien av brandteknisk forskning.  Den första modellen presenterades av S. H. Ingberg (1928) elva år efter att standardbrandkurvan som vi känner den idag (EN 13501-2, 2016) fått fäste inom den brandtekniska vetenskapen. Ingberg formulerade en hypotes baserad på ett stort antal försök på fullskaliga bränder där ansatsen var att en brands kvantifierade brandpåverkan kunde identifieras som arean som för en viss studerad tid begränsas i höjdled av brandens temperatur i överkant, och i underkant av en baslinjetemperatur som bestäms av den bärande konstruktionens materialegenskaper. Ingbergs ansats baserade sig på faktiska bränder i jämförelse med standardbrandkurvan (Ingberg, 1928). Denna teori har ifrågasatts då Ingberg i sina försök ej tog hänsyn till brandrummens olika ventilationsförutsättningar.   För att undersöka hur bärande byggnadsdelar dimensionerade med standardbrand står sig jämfört med två metoder med naturliga brandförlopp görs en kvantitativ analys under ansatsen att de naturliga bränderna har samma brandpåverkan i enlighet med Ingbergs teori om lika areor. Det genomförs beräkningar för fullständiga brandförlopp med 800 samt 1600 MJ/m2 i dimensionerande brandbelastning. Totalt 258 fall med olika parametrar och för tolv av dessa fall analyseras resultaten nogrannare. För att avgöra om en brand är på osäker sida jämfört med normenliga kravnivåer görs två jämförelser i tidsdomänen mot tidskravet för standardbrand och en jämförelse i temperaturdomänen genom att analysera ett ståltvärsnitts temperatur mot dess kritiska temperatur.   Av de 12 närmare studerade bränderna överskrids nominella krav i sex av dem. De bränder som ger upphov till överskridna krav är bränder i rum med låg tillgång till ventilation och ytskikt med låg termisk tröghet. Resultaten är desamma för den lägre och den högre brandbelastningen.  Modellen med lika areor bedöms däremot ej vara komplett då metoden ej kan appliceras på vilken temperaturdata som helst då underliggande faktorer som kännedom om ventilation och bränsle kan neglegeras. Vidare bedöms det finnas risker med metoder då brandpåverkan riskerar att dölja kännedom om avgivna strålningsnivåer från branden som kan ge upphov till stora värmeflöden till bärande byggnadsdelar. / Today's building regulations regarding strength for fire-exposed structures rest heavily on the fire impact of the standard fire curve. However, this fire curve does not represent a natural fire very well. Eks (The National Board of Housing and Urban Development's application of European design rules) also provides the opportunity to use natural fire processes to evaluate the strength of a building part. Research in fire technology has shown that there are methods that can quantitatively compare the severity of different fires on load bearing structures with each other, these methods have been developed through the history of fire technical research.  The first model was presented by S. H. Ingberg (1928) eleven years after the standard fire curve as we know it today (EN 13501-2, 2016) gained a foothold in fire safety science. Ingberg formulated a hypothesis based on a large number of experiments on full-scale fires where the approach was that the quantified fire impact of a fire could be identified over time as the area limited at the top of the fire temperature, and at the lower edge of a baseline temperature determined by the material properties of the load bearing structure. Ingberg's approach was based on actual fires compared to the standard fire curve  (Ingberg, 1928). This theory has been questioned since Ingberg's experiments did not take into account the different ventilation conditions of the fire rooms.   In order to investigate how load bearing structures designed with the standard fire curve compares to two methods with natural fire processes, a quantitative analysis is carried out under the assumption that the natural fires have the same fire impact in accordance with Ingberg's theory of equal areas. Calculations are carried out for natural fires with design fire loads 800 and 1600 MJ/m2. A total of 258 cases with different parameters and for twelve of these cases the results are analysed more closely. To determine whether a fire is on uncertain side compared to normative requirement levels, two comparisons are made in the time domain against the time requirement for standard fire and one comparison in the temperature domain by comparing the temperature of a steel cross-section against its critical temperature.   Of the twelwe closer studied fires, six of them exceeded nominal requirements. The fires that exceeded requirements are fires with low access to ventilation and rooms with linings of low thermal interia. The results are the same for the lower and higher fire loads.  However, the model with equal areas is not considered complete as the method cannot be applied to any given temperature data as underlying factors such as knowledge of ventilation and fuel can be ignored. Furthermore, it is considered that there are risks with the methods as the equal fire severity risks concealing knowledge of radiation levels emitted from the fire that can give rise to large heat flows to the load bearing structure.