Laskentamenetelmät teräsrakenteiden toiminnallisessa palomitoituksessa

Abstract

Rakenteiden riittävä palonkestävyys ja rakennuksen paloturvallisuusvaatimusten täyttyminen voidaan osoittaa joko luokkiin ja lukuarvoihin tai oletettuun palonkehitykseen perustuvilla menettelyillä. Näitä menettelyjä koskevat vaatimukset ja ohjeistus esitetään kansallisissa ja eurooppalaisissa asetuksissa ja standardeissa. Luokkiin ja lukuarvoihin perustuvassa mitoituksessa kantavien rakenteiden riittävä paloturvallisuus varmistetaan luokitusjärjestelmällä, jossa asetetaan vaatimuksia rakenteiden pintamateriaaleille sekä R-luokkavaatimus kantaville rakenteille. Oletettuun palonkehitykseen perustuvassa mitoituksessa rakennuksen paloturvallisuus perustuu rakennuksessa mahdollisesti esiintyvistä palotilanteista tehtyyn riskianalyysiin. Palosimuloinnin avulla pyritään määrittämään rakenteisiin tarkasteltavassa palotilanteessa kohdistuvat lämpörasitukset, joiden perusteella rakenteiden palonkestävyys voidaan todentaa. Palosimulointiin on käytettävissä erilaisia laskentamalleja, joiden käyttötarkoitus ja käyttökelpoisuusalueet poikkeavat toisistaan. Rakenteiden palotilanteen kestävyyden todentamiseen on käytettävissä yksinkertaisia ja kehittyneitä laskentamenetelmiä. Yksinkertaiset laskentamenetelmät ovat rakenneosakohtaiseen mitoitukseen käytettäviä mitoitusmenetelmiä, kun taas kehittyneillä laskentamenetelmillä pyritään kuvaamaan rakenteen realistista ja odotettavissa olevaa toimintaa ja käyttäytymistä palotilanteessa sekä siten todentamaan rakenteen riittävä palonkestävyys. Palotilanteessa eri tekijöiden vaikutuksista rakenneosiin saattaa syntyä merkittäviäkin rasituksia suoraan tai välillisesti. Nämä kuormanvaikutukset tulee ottaa huomioon rakenteiden suunnittelussa. Oletettuun palokehitykseen perustuvan rakenteiden palomitoituksen käytön ollessa ainakin vielä luokkiin ja lukuarvoihin perustuvaa mitoitusta huomattavasti vähäisempää myös saatavilla olevaa tietoa löytyy hajanaisista lähteistä. Tämän työn tarkoituksena onkin pyrkiä kokoamaan yhteen kirjallisuusselvityksellä teräsrakenteiden oletettuun palonkehitykseen perustuvaa mitoitusta koskevat vaatimukset, sovellettavat analyysimenetelmät ja suunnittelun kriteerit sekä palosimuloinnin menetelmät ja lähtötiedot. Tapaustutkimuksella pyritään selvittämään palotilanteessa rakenteeseen syntyviä eri vaikutuksia ja niiden merkittävyyttä sekä niiden huomioon ottaminen rakenteiden mitoituksessa. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin pilareista ja ristikosta koostuvan kehän toimintaa standardipalon ja paikallisten palojen vaikutusten alaisena. Kehän mitoitus tehtiin rakenneosan tarkasteluna R15-vaatimuksen mukaisesti käyttämällä RFEM-ohjelman EC3-moduulia. Vertailuna rakenneosakohtaiselle tarkastelulle, tarkastelu tehtiin myös Safir-laskentaohjelmalla rakenteen osan tarkasteluna. Paikallisen palon alaisen rakenteen toimintaa tutkittiin sijoittamalla paikallinen palo kehän keskelle sekä pilarin viereen. Rakenteen toimintaan palotilanteessa tutkittiin palotilanteen mitoituskuormituksilla eri kuormitustapauksilla ja ilman kuormituksia. Lisäksi paikallisten palojen tapauksissa tehtiin tarkasteluja myös korotetuilla kuormituksilla. Tehtyjen tarkastelujen perusteella Safir-laskentaohjelmalla tehdyn rakenteen osan tarkastelussa saadaan tarkastellulla rakenteella hieman rakenneosakohtaista tarkastelua pidempi palonkestoaika, vaikka rakenteenosan tarkastelussa otetaan huomioon välilliset ja epäsuorat kuormanvaikutukset. Paikallisten palojen tarkasteluista voidaan todeta, että rakenneosat saattavat kokea merkittäviäkin muodonmuutoksia ja rakenneosia rasittavat voimasuureet voivat vaihdella merkittävästikin palotilanteessa. Paikallisten palojen yhteydessä esitettiin myös tapaus, jossa rakenteen sortuma aiheutuu jäähtymisvaiheessa.