Kantavien teräsrakenteiden palosuojaus: Palosuojamaalaamalla paloluokissa R30-R120
Vuorinen, Ville (2023)
2023
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-30
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305246113
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305246113
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tutkitaan kantavien teräsrakenteiden palosuojausta ja sen kustannuksia. Teräs on palamaton materiaali, mutta lämpötilan noustessa se menettää materiaaliominaisuuksiaan merkittävästi. Tämän vuoksi kantavia teräsrakenteita pitää usein palosuojata. Palosuojausmenetelmiä on monia, joista tässä työssä esitellään muutamia. Tutkimus painottuu kuitenkin palosuojamaalaukseen. Haastattelujen mukaan nykyään palomitoitus toteutetaan yleensä normaalilämpötilamitoituksessa mitoitetulle profiilille. Palosuojamaalaus voi kuiteinkin edustaa huomattavaa osaa koko teräsrakenteen hinnasta, joten palosuojamaalattuja teräsrakenteita olisi rakennesuunnittelun yhteydessä hyvä tarkastella myös kustannusnäkökulmasta. Tutkimuksessa tarkastellaan, kuinka teräsrakenteen profiilin muutos vaikuttaa palosuojamaalauksen paksuuteen ja edelleen kustannuksiin. Palosuojauksen kalvopaksuuksia lasketaan käsin sekä Autodeskin Robot Structural Analysis Professional -laskentaohjelmalla (2021, myöhemmin tekstissä ”Robot”). Samalla tutkitaan, miten kyseistä laskentaohjelmaa voidaan hyödyntää teräsrakenteiden palomitoituksessa.
Diplomityössä tutustutaan ensin kirjallisuuden avulla muutamaan palosuojaustapaan, jotka ovat työn tilaajayrityksellä Afry Finland Oy:llä aktiivisesti käytössä. Tämän jälkeen selvitetään, miten teräsrakenteiden palomitoitus tehdään käsinlaskien sekä Robotilla. Kun palomitoitusprosessi on selvillä, valitaan yrityksen case-kohteista yksinkertaiset rakenteet, joille tehdään palomitoitus käsin sekä Robot-laskentaohjelmalla. Palomitoitus tehdään käsin perustuen kestävyysmenetelmään ja kriittisen lämpötilan menetelmään. Robotilla palomitoitus on mahdollista tehdä kolmella eri menetelmällä. Nämä menetelmät ovat kestävyyteen-, lämpötilaan/aikaan ja aikaan perustuvat menetelmät. Yksinkertaiset rakenteet mitoitetaan kaikilla menetelmillä palosuojaamattomana sekä palosuojattuna ja vertaillaan saatuja tuloksia sekä palosuojamaalauksen kalvopaksuuksia.
Eri laskentamenetelmillä saatuja tuloksia vertailtaessa huomattiin, että pääsääntöisesti eri laskentamenetelmät antoivat samansuuruisia palosuojauksen tuloksia. Tutkimuksen aikana huomattiin kuitenkin joitain ongelmakohtia sekä Robotin laskennassa että käsinlaskennassa. Robotin todettiin kuitenkin soveltuvan hyvin teräsrakenteiden palomitoitukseen varsinkin, jos mitoitettava rakenne oli mallinnettu jo valmiiksi normaalilämpötilamitoituksen yhteydessä.
Lopuksi työssä tarkastellaan teräsrakenteiden kustannuksia. Case-kohteen rakenteet ryhmitellään siiten, että yhdelle ryhmälle voidaan määrätä sama palosuojamaalauksen kalvopaksuus. Tämän jälkeen ryhmän rasitetuimmalle rakenteelle määritellään palosuojamaalaus Robotin avulla ja lasketaan tämän jälkeen rakenteen kustannukset. Palosuojamaalauksen määritys toistetaan usealle eri profiilikoolle, jolloin pystytään vertailemaan profiilikoon merkitystä palosuojamaalatun profiilin kustannuksiin.
Tehdyn kustannusvertailun perusteella palonkestoluokassa R30 profiilikoon kasvattaminen ei ole yleensä kustannuksiltaan kannattavaa. R60 palonkestoluokassa profiilikoon kasvatus tuottaa useasti halvemman ratkaisun kuin alkuperäinen profiili. Tutkimuksessa huomattiin, että jos rakenteen pitää kestää palossa yli 30 minuuttia, kannattaa teräsrakenteen profiilia ja palosuojamaalauksen kalvopaksuutta optimoida. Optimaalisin tulos kustannusnäkökulmasta löydettiin yleensä kasvattamalla teräsrakenteen vakioprofiilikokoa yksi tai kaksi kokoa, jolloin teräsrakenteen ja palosuojamaalauksen kustannukset olivat mahdollisimman lähellä toisiaan. In this thesis, the fire protection of load-bearing steel structures and their costs are investigated. Steel is a non-combustible material, but when the temperature rises, it loses its material properties significantly. Because of this, load-bearing steel structures often need to be fireproofed. There are many fire protection methods, a few of which are presented in this work. However, the research focuses on fire protection paint. According to the interviews, nowadays fire designing is usually carried out for a profile designed at normal temperature. However, fire protection painting can represent a significant part of the price of the entire steel structure, so it would be good to consider fire protection painted steel structures in the context of structural planning also from a cost perspective. The study examines how the change in the profile of the steel structure affects the thickness of the fire protection coating and further the costs. Fire protection film thicknesses are calculated manually and with Autodesk's Robot Structural Analysis Professional (2021, later in the text “Robot”) calculation program. At the same time, we will investigate how the calculation program in question can be used in the fire design of steel structures.
In the thesis, we will first familiarize ourselves with a few fire protection methods with the help of literature, which are actively used by the company ordering the work, Afry Finland Oy. After this, we will find out how the fire rating of steel structures is done by manually calculating and with a Robot. When the fire dimensioning process is clear, simple structures are selected from the company's case sites, for which fire dimensioning is done manually and with the Robot calculation program. Fire designing is done manually based on the resistance method and the critical temperature method. With the Robot, it is possible to do fire designing using three different methods. These methods are resistance, temperature/time, and time-based methods. Simple structures are calculated with all methods without fire protection and with fire protection, and the results obtained, and the film thicknesses of the fire protection painting are compared.
When comparing the results obtained with different calculation methods, it was noticed that the different calculation methods gave the same fire protection results. During the research, however, some problem points were noticed in both Robot's calculation and manual calculation. However, the robot was found to be well suited for fire designing of steel structures, especially if the structure to be designed had already been made ready with normal temperature designing of the structure.
Finally, the work examines the costs of steel structures. The structures of the case object are grouped in such a way that one group can be assigned the same film thickness of the fire protection coating. After this, the most stressed structure in the group is defined with the help of the Robot for fire protection painting, and then the costs of the structure are calculated. The determination of the fire protection painting is repeated for several different profile sizes, which makes it possible to compare the importance of the profile size with the costs of the fire protection painted profile.
Based on the cost comparison, increasing the profile size in fire resistance class R30 is usually not cost-effective. In the R60 fire resistance class, increasing the profile size often results in a cheaper solution than the original profile. The research found that if the structure must last more than 30 minutes in a fire, it is worth optimizing the profile of the steel structure and the film thickness of the fire protection coating. The most optimal result from a cost point of view was usually found by increasing the standard profile size of the steel structure by one or two sizes so that the costs of the steel structure and the fire protection painting were as close as possible.
Diplomityössä tutustutaan ensin kirjallisuuden avulla muutamaan palosuojaustapaan, jotka ovat työn tilaajayrityksellä Afry Finland Oy:llä aktiivisesti käytössä. Tämän jälkeen selvitetään, miten teräsrakenteiden palomitoitus tehdään käsinlaskien sekä Robotilla. Kun palomitoitusprosessi on selvillä, valitaan yrityksen case-kohteista yksinkertaiset rakenteet, joille tehdään palomitoitus käsin sekä Robot-laskentaohjelmalla. Palomitoitus tehdään käsin perustuen kestävyysmenetelmään ja kriittisen lämpötilan menetelmään. Robotilla palomitoitus on mahdollista tehdä kolmella eri menetelmällä. Nämä menetelmät ovat kestävyyteen-, lämpötilaan/aikaan ja aikaan perustuvat menetelmät. Yksinkertaiset rakenteet mitoitetaan kaikilla menetelmillä palosuojaamattomana sekä palosuojattuna ja vertaillaan saatuja tuloksia sekä palosuojamaalauksen kalvopaksuuksia.
Eri laskentamenetelmillä saatuja tuloksia vertailtaessa huomattiin, että pääsääntöisesti eri laskentamenetelmät antoivat samansuuruisia palosuojauksen tuloksia. Tutkimuksen aikana huomattiin kuitenkin joitain ongelmakohtia sekä Robotin laskennassa että käsinlaskennassa. Robotin todettiin kuitenkin soveltuvan hyvin teräsrakenteiden palomitoitukseen varsinkin, jos mitoitettava rakenne oli mallinnettu jo valmiiksi normaalilämpötilamitoituksen yhteydessä.
Lopuksi työssä tarkastellaan teräsrakenteiden kustannuksia. Case-kohteen rakenteet ryhmitellään siiten, että yhdelle ryhmälle voidaan määrätä sama palosuojamaalauksen kalvopaksuus. Tämän jälkeen ryhmän rasitetuimmalle rakenteelle määritellään palosuojamaalaus Robotin avulla ja lasketaan tämän jälkeen rakenteen kustannukset. Palosuojamaalauksen määritys toistetaan usealle eri profiilikoolle, jolloin pystytään vertailemaan profiilikoon merkitystä palosuojamaalatun profiilin kustannuksiin.
Tehdyn kustannusvertailun perusteella palonkestoluokassa R30 profiilikoon kasvattaminen ei ole yleensä kustannuksiltaan kannattavaa. R60 palonkestoluokassa profiilikoon kasvatus tuottaa useasti halvemman ratkaisun kuin alkuperäinen profiili. Tutkimuksessa huomattiin, että jos rakenteen pitää kestää palossa yli 30 minuuttia, kannattaa teräsrakenteen profiilia ja palosuojamaalauksen kalvopaksuutta optimoida. Optimaalisin tulos kustannusnäkökulmasta löydettiin yleensä kasvattamalla teräsrakenteen vakioprofiilikokoa yksi tai kaksi kokoa, jolloin teräsrakenteen ja palosuojamaalauksen kustannukset olivat mahdollisimman lähellä toisiaan.
In the thesis, we will first familiarize ourselves with a few fire protection methods with the help of literature, which are actively used by the company ordering the work, Afry Finland Oy. After this, we will find out how the fire rating of steel structures is done by manually calculating and with a Robot. When the fire dimensioning process is clear, simple structures are selected from the company's case sites, for which fire dimensioning is done manually and with the Robot calculation program. Fire designing is done manually based on the resistance method and the critical temperature method. With the Robot, it is possible to do fire designing using three different methods. These methods are resistance, temperature/time, and time-based methods. Simple structures are calculated with all methods without fire protection and with fire protection, and the results obtained, and the film thicknesses of the fire protection painting are compared.
When comparing the results obtained with different calculation methods, it was noticed that the different calculation methods gave the same fire protection results. During the research, however, some problem points were noticed in both Robot's calculation and manual calculation. However, the robot was found to be well suited for fire designing of steel structures, especially if the structure to be designed had already been made ready with normal temperature designing of the structure.
Finally, the work examines the costs of steel structures. The structures of the case object are grouped in such a way that one group can be assigned the same film thickness of the fire protection coating. After this, the most stressed structure in the group is defined with the help of the Robot for fire protection painting, and then the costs of the structure are calculated. The determination of the fire protection painting is repeated for several different profile sizes, which makes it possible to compare the importance of the profile size with the costs of the fire protection painted profile.
Based on the cost comparison, increasing the profile size in fire resistance class R30 is usually not cost-effective. In the R60 fire resistance class, increasing the profile size often results in a cheaper solution than the original profile. The research found that if the structure must last more than 30 minutes in a fire, it is worth optimizing the profile of the steel structure and the film thickness of the fire protection coating. The most optimal result from a cost point of view was usually found by increasing the standard profile size of the steel structure by one or two sizes so that the costs of the steel structure and the fire protection painting were as close as possible.