Examensarbetet behandlar ett brotvärsnitt som inte entydigt kan betraktas som ett balktvärsnitt eller plattvärsnitt. Med de måttdefinitioner som används vid broprojektering ska en plattkonstruktion ha en bredd som är fem gånger höjden, annars ska konstruktionen ses som en balk där även balkens längd definieras att vara större än tre gånger höjden. Brotvärsnittet som studeras i detta examensarbete kan alltså definieras både som ett plattvärsnitt och som ett balktvärsnitt. Målet med arbetet är att undersöka om det är möjligt att finna en metod att konstruera denna typ av tvärsnitt som befinner sig i gränslandet mellan två definitioner. Skillnaderna mellan en plattas och en balks verkningssätt ligger i att plattan antas bära last i två riktningar medan en balk enbart bär last i en riktning. Examensarbetet är genomfört i sammarbete med WSP Bro- och vattenbyggnad i Örebro, som konstruerade en bro med just detta tvärsnitt. Bro 344 över parkstråk i trafikplats Rinkeby å ramp mot Ärvinge, är 181 m lång bro i 9 spann och finns belägen vid trafikplats Rinkeby som är en del utav Trafikverkets projekt, E18 Hjulsta – Kista. Lasterna som används i analyserna är betongens egentyngd, utbredd last av beläggning och vertikala trafiklaster. I ett första skede i arbetet analyseras modellerna med rörliga trafiklaster. Det framkom dock under arbetets gång att förenklingar vad gäller trafiklasterna måste göras då arbetet skulle bli för omfattande annars. En statisk boggilast placeras ut i ett spann mitt i mellan dess tredjedelspunkt och halva spannlängden. Beräkningar utförs i en mjukvara där modellen både byggs upp av skalelement som en långsträckt platta där snittkrafter kommer ut som enhet per meter och med balkelement som en halvinspänd balk där snittkrafter kommer ut i enhet per balk. Mjukvaran som används är ett tredimensionellt finit element program, SOFISTIK, som likt många andra FE-program erbjuder användarvänliga modelleringsmiljöer, hanterar rörliga laster och har en mängd inbyggda moduler och funktioner. Beräkningarna som sedan utvärderas och jämförs är dels SOFISTIKs olika resultat för skalmodellen och balkmodellen. Där dimensionerande armeringsmängder beräknas för max fältmoment och max stödmoment. Dessa resultat från SOFISTIKs skalmodell respektive balkmodell jämförs också med resultat från de mjukvaror som användes vid dimensioneringen från början, vilket var för skalmodellanalysen Brigade Standard och för balkanalysen Strip Step 3. Armeringsmängderna jämförs slutligen genom att studera tre fall: •   Skalmodell SOFISTIK - Brigade Standard •   Balkmodell SOFISTIK - Strip Step 3 •   SOFISTIK skalmodell – balkmodell Jämförelserna visar att både skalmodellerna från de olika programmen (SOFISTIK – Brigade Standard) och balkmodellerna från de olika programmen (SOFISTIK – Strip Step 3) ger likvärdiga armeringsmängder vilket ger en trygg verifiering av modellerna. Vidare visar jämförelse mellan skal- och balkmodell i SOFISTIK att balkmodellen ger avsevärt högre armeringsmängder, både i fält och över stöd. ar / The aim of this Master thesis is to study a cross section of a bridge that cannot be unambiguously considered to be defined as a beam cross-section or a slab cross-section. With the given definitions used in bridge engineering, a slab construction has to have a width wider than five times the height, otherwise it should be regarded as a beam construction. The length of a beam construction is also defined to be three times longer than the height. The cross section in this thesis can thus be treated as both a slab cross-section and as a beam cross-section. The aim of this work is to investigate whether it is possible to find a method to construct this type of cross-section that falls within both these two definitions. The difference in mode of action between a plate and a beam is that the plate is assumed to carry loads in two directions while a beam only carries load in one direction. The work done in this report has been performed in cooperation with the consulting company WSP Bridge & Hydraulic Design in Örebro who has constructed a bridge with the studied section, Bro 344 över parkstråk i trafikplats Rinkeby å ramp mot Ärvinge. This bridge is 181 m long in 9 spans and are located at the traffic interchange Rinkeby which is part of the Swedish Transport Administration project, E18 Hjulsta - Kista. The loads, which are discussed and analyzed are the deadweight of the concrete, distributed load of road surface and vertical traffic loads. In the first stage of the work the models are being analyzed with moving traffic loads, it appears, however, during the process that simplifications in terms of the moving traffic loads must be made, when the work would be too wide otherwise. A static bogie-load is deployed in one of the spans, in between the third point and half the span length. Calculations are performed using a computer software, in which the bridge is modeled both by shell elements and by beam elements. The shell-model is created as an elongated plate section in which the force comes out as unit per meter. The beam-model is considered as a semi-restrained beam in which the section forces come out in unit for the whole beam. Software used is a three-dimensional finite element program, SOFISTIK. As many other FEprograms SOFISTIK provide a user-friendly modeling workspace, it handles variable and moving loads and has a variety of embedded modules and functions. The calculations which are being evaluated and compared, is at the first hand the different results in between the shell-model and the beam-model from the models made in SOFISTIK. The amounts of designing reinforcement are calculated for the maximum bending moment and for the minimum bending moment. Those results, also compares with results from other software, the software used in the design from the beginning, which for the shell-analyze the software Brigade Standard and for the beam-analyze the software Strip Step 3. The amounts of design reinforcement are finally compared by studying three cases: •   The Shell-model from SOFISTIK - Brigade Standard •   Beam-model from SOFISTIK - Strip Step 3 •   SOFISTIK the shell-model – the beam-model The comparisons show that both the shell-models from the two different programs (SOFISTIK and Brigade Standard) and the beam-models from the different two programs (SOFISTIK - Strip Step 3) give equivalent amounts of reinforcement which provides a secure verification of the models. Furthermore the comparison between the shell-model and the beam-model, in SOFISTIK , shows that the beam-model provides significantly higher amounts of reinforcement in both the field and at the support.

Utbredningen av en brand inuti en byggnad kan leda till global eller lokal strukturell kollaps, särskilt i stålramkonstruktioner. Faktum är att stålkonstruktioner är särskilt utsatta för termiska angrepp på grund av ett högt värde av stålkonduktivitet och tvärsnitten med små tjockleken. Som en viktig aspekt av konstruktionen bör brandsäkerhetskrav uppnås antingen enligt föreskrivande regler eller enligt antagande av prestationsbaserad brandteknik. Trots möjligheten att använda enkla metoder som involverar membersanalys kombinerat med nominella brandkurvor, är en mer exakt analys av det termomekaniska beteendet hos en stålkonstruktion ett tilltalande alternativ eftersom det kan leda till mer ekonomiska och effektiva lösningar genom att ta hänsyn till möjliga gynnsamma mekanismer. Denna analys kräver vanligtvis utredning av delar av strukturen eller till och med av hela strukturen. För detta ändamål och för att få en djupare kunskap om strukturelementens beteende vid förhöjd temperatur bör numerisk simulering användas. I denna avhandling utvecklades och användes termomekaniska finita element som är lämpliga för analys av stålkonstruktioner utsätta för brand. Relevanta fallstudier utfördes. Utvecklingen av både ett termomekaniskt skal- och 3D balkelement baserade på en korotationsformulering presenteras. De flesta relevanta strukturfall kan undersökas på ett adekvat sätt genom att antingen använda något av dessa element eller kombinera dem. Korotationsformuleringen är väl lämpad för analyser av strukturer där stora förskjutningar, men små töjningar förekommer, som i fallet med stålkonstruktioner i brand. Elementens huvuddrag beskrivs, liksom deras karakterisering i termomekaniskt sammanhang. I detta avseende övervägdes materialnedbrytningen på grund av temperaturökningen och den termiska expansionen av stål vid härledningen av elementen. Dessutom presenteras en grenväxlingsprocedur för att utföra preliminära instabilitetsanalyser och få viktig inblick i efterknäckningsbeteendet hos stålkonstruktioner som utsätts för brand. Tillämpningen av de utvecklade numeriska verktygen ges i den del av avhandlingen som ägnas åt det publicerade forskningsarbetet. Flera aspekter av knäckningen av stålkonstruktionselement vid förhöjd temperatur diskuteras. I Artikel I tillhandahålls överväganden om påverkan av geometriska imperfektioner på beteendet hos komprimerade stålplattor och kolonner vid förhöjda temperaturer, liksom implikationer och resultat av användningen av grenväxlingsprocedur. I Artikel II valideras det föreslagna 3D-balkelementet genom meningsfulla fallstudier där torsionsdeformationer är signifikanta. De utvecklade balk- och skalelementen används i en undersökning av knäckningsmotstånd hos komprimerade vinkel-, Tee- och korsformade stålprofiler vid förhöjd temperatur som presenteras i Artikel III. En förbättrad knäckningskurva för design presenteras i detta arbete. Som ett exempel på tillämpningen av principerna för brandsäkerhetsteknik presenteras en omfattande analys i Artikel IV. Två relevanta brandscenarier identifieras för den undersökta byggnaden, som modelleras och analyseras i programmet SAFIR. / The ignition and the propagation of a fire inside a building may lead to global or local structural collapse, especially in steel framed structures. Indeed, steel structures are particularly vulnerable to thermal attack because of a high value of steel conductivity and of the small thickness that characterise the cross-sections. As a crucial aspect of design, fire safety requirements should be achieved either following prescriptive rules or adopting performance-based fire engineering. Despite the possibility to employ simple methods that involve member analysis under nominal fire curves, a more accurate analysis of the thermomechanical behaviour of a steel structural system is an appealing alternative, as it may lead to more economical and efficient solutions by taking into account possible favourable mechanisms. This analysis typically requires the investigation of parts of the structure or even of the whole structure. For this purpose, and in order to gain a deeper knowledge about the behaviour of structural members at elevated temperature, numerical simulation should be employed. In this thesis, thermomechanical finite elements, suited for the analyses of steel structures in fire, were developed and exploited in numerical simulation of relevant case studies. The development of a shell and of a 3D beam thermomechanical finite element based on a corotational formulation is presented. Most of the relevant structural cases can be adequately investigated by either using one of these elements or combining them. The corotational formulation is well suited for the analyses of structures in which large displacements, but small strains occur, as in the case of steel structures in fire. The main features of the elements are described, as well as their characterization in the thermomechanical context. In this regard, the material degradation due to the temperature increase and the thermal expansion of steel were considered in the derivation of the elements. In addition, a branch-switching procedure to perform preliminary instability analyses and get important insight into the post-buckling behaviour of steel structures subjected to fire is presented. The application of the developed numerical tools is provided in the part of the thesis devoted to the published research work. Several aspects of the buckling of steel structural elements at elevated temperature are discussed. In paper I, considerations about the influence of geometrical imperfections on the behaviour of compressed steel plates and columns at elevated temperatures are provided, as well as implications and results of the employment of the branch-switching procedure. In Paper II, the proposed 3D beam element is validated for meaningful case studies, in which torsional deformations are significant. The developed beam and shell elements are employed in an investigation of buckling resistance of compressed angular, Tee and cruciform steel profiles at elevated temperature presented in Paper III. An improved buckling curve for design is presented in this work. Furthermore, as an example of the application of Fire Safety Engineering principles, a comprehensive analysis is proposed in Paper IV. Two relevant fire scenarios are identified for the investigated building, which is modelled and analysed in the software SAFIR.