SE543184C2

SE543184C2 - Fire-resistant steel joist beam with vertical webs, horizontal flanges and a heat-insulating material in a space between the flanges

Info

Publication number: SE543184C2
Application number: SE1900026A
Authority: SE
Inventors: Jörgen Thor
Original assignee: Vaestsvenska Staalkonstruktioner Ab
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2020-10-20
Also published as: EP3924567A1; SE1900026A1; EP3924567A4; WO2020167190A1

Abstract

Uppfinningen avser en bjälklagsbalk av stål uppvisande ett tvärsnitt bestående av minst två i huvudsak vertikalt orienterade liv (1,1') och en till livens överdel fixerad horisontell överfläns (2) samt en till livens underdel fixerad horisonell underfläns (3) utstickande utanför liven, utgörande upplag för bjälklag (4) av företrädesvis betongelement. En ytterligare horisontell fläns (5) är fixerad mellan liven (1,1') ett stycke ovanför underflänsen (3) samtidigt som ett utrymme mellan underflänsen (3) och flänsen (5) innehåller ett mot brand värmeisolerande material(6).The invention relates to a steel joist beam having a cross section consisting of at least two substantially vertically oriented webs (1,1 ') and a horizontal upper flange (2) fixed to the upper part of the web and a horizontal lower flange (3) fixed to the lower part of the web, projecting outside the web, constituting a support for floors (4) of preferably concrete elements. A further horizontal flange (5) is fixed between the webs (1,1 ') a distance above the lower flange (3), at the same time as a space between the lower flange (3) and the flange (5) contains a heat-insulating material (6).

Description

Brandsäker bjälklagsbalk av stål Sedan 1970-talet har en speciell teknik med stor framgångutvecklats i Sverige och Skandinavien att bygga flervånings-byggnader med bärande stomme av stål i kombination med pre-fabricerade bjälklagselement av betong. Inkluderande och kän-netecknande för tekniken. är' bjälklagsbalkar~ av' stål. med, etthattliknande tvärsnitt sammansatt av två på ett avstånd frånvarandra vertikala liv, en horisontell överfläns fixeradupptill mellan liven samt en nedtill bredare horisontellunderfläns som sticker ut utanför liven. Denna underflänsutgör upplag för bjälklagselementen och innebär att balkarnablir integrerade inom bjälklagshöjden. Endast underflänsensundersida och kanter syns under bjälklagselementen. Balkar av denna typ benämns vanligen hattbalkar eller HSQ balkar. Fireproof steel floor beam Since the 1970s, a special technology with great success has been developed in Sweden and Scandinavia to build multi-storey buildings with a load-bearing steel frame in combination with pre-fabricated concrete floor elements. Inclusive and characteristic of the technology. are 'joist beams ~ of' steel. with, a hat-like cross-section composed of two at a distance from each other vertical webs, a horizontal upper flange fixed at the top between the webs and a wider horizontal lower flange projecting outside the webs at the bottom. This lower flange forms a support for the floor elements and means that beams are integrated within the floor height. Only the underside and edges of the lower flange are visible under the floor elements. Beams of this type are commonly referred to as hat beams or HSQ beams.

En fördel med inom bjälklagshöjden integrerade stålbalkar äratt den totala bjälklagstjockleken begränsas, vilket är enklar fördel med tanke på att den tillåtna byggnadshöjden. iSverige, och även i övriga Skandinavien, normalt är begränsadi gällande detalj- och stadsplaner. En annan fördel är attenbart balkens underfläns kan bli exponerad för brand medanövriga delar av balken skyddas av omgivande betong. Detta ärviktigt då stålet hållfasthet och därmed balkens bärförmågaminskar vid uppvärmningen från branden. Detta i sin tur göratt exponerade ståldelar måste förses med någon lämpligtbrandskyddande isolering. Med enbart underflänsen exponeradminskar arean och därmed kostnaderna för att uppnå erforder- ligt brandskydd av balken.An advantage of steel beams integrated within the floor height is that the total floor thickness is limited, which is a simpler advantage considering that the permitted building height. Sweden, and also in the rest of Scandinavia, is normally limited in terms of detailed and city plans. Another advantage is that only the lower flange of the beam can be exposed to fire, while other parts of the beam are protected by surrounding concrete. This is important as the steel strength and thus the load-bearing capacity of the beam decreases during the heating from the fire. This in turn exposed steel parts must be provided with some suitable fire protection insulation. With only the lower flange, the area is exposed and thus the costs of achieving the required fire protection of the beam are reduced.

Det vanligaste sättet att brandskydda denna typ av hattbalkarär att förse underflänsen med en brandskyddsfärg. Den främstafördelen med denna typ av brandskydd är att färgen har en tjocklek på storleksordningen endast någon millimeter och där- med inte ytterligare ökar den total bjälklagstjockleken. Ennackdel är dock den relativt höga kostnaden per kvadratmetermålad yta samt att utseendet ofta blir grovkornigt eller ele-fanthudsliknande, vilket inte minst många arkitekter upplevernegativt. En annan praktisk nackdel är att färgen inte får ut-sättas direkt för vatten, De flesta brandskyddsfärger är avmiljöskäl vattenbaserade. Själva målningsarbetet kräver dess-utom att luftfuktigheten är begränsad samt att temperaturen ärpå plussidan. Detta gör att målning bara kan göras när vädretså tillåter vilket i sin tur oftast innebär att nålning påplats kan ske först efter det byggnadens stomme är tillräck-ligt inbyggd eller väderskyddad. Att tidsmässigt bli be-gränsad att utföra brandskyddsmålningen enligt ovan kan störabyggproduktionen i övrigt. Ovanstående innebär också attbalkarnas brandmotstånd under byggtiden är begränsat, vilketutgör en potentiell risk om brand skulle uppstå under bygg-tiden. Målning i förväg på fabrik är å andra sidan oftast inteett alternativ på grund av stor risk för skador av den käns- liga färgen under transport och montering.The most common way of fire protection of this type of hat beam is to provide the lower flange with a fire protection paint. The main advantage of this type of fire protection is that the paint has a thickness of the order of only a few millimeters and thus does not further increase the total floor thickness. One disadvantage, however, is the relatively high cost per square meter of painted area and that the appearance often becomes coarse-grained or elephant-skin-like, which not least many architects experience negatively. Another practical disadvantage is that the paint must not be exposed directly to water. Most fire protection paints are water-based for environmental reasons. The painting work itself also requires that the humidity is limited and that the temperature is on the plus side. This means that painting can only be done when the weather permits, which in turn usually means that needling can take place on site only after the building's frame is sufficiently built in or weatherproof. To be limited in time to perform the fire protection painting according to the above can disrupt construction production in general. The above also means that the fire resistance of the beams during the construction period is limited, which constitutes a potential risk if a fire should occur during the construction period. Pre-painting at the factory, on the other hand, is usually not an option due to the high risk of damage to the sensitive paint during transport and assembly.

Den största tekniska nackdelen med brandskyddsmålning tordedock vara att brandskyddsfärgernas funktion bygger på att deexpanderar vid uppvärmning till ett mot branden isolerandeskikt med en tjocklek på storleksordningen 40-50 mm. Dettamedför att anslutning till den brandskyddsmålade underflänsenav installationer och olika byggnadsdelar, exempelvis inner-väggar och dylikt, som riskerar att förhindra färgens expan- sion, inte kan tillåtas.The main technical disadvantage of fire protection painting, however, is that the function of the fire protection paints is based on expanding when heated to a layer insulating against the fire with a thickness of the order of 40-50 mm. This means that connection to the fire protection-painted lower flange of installations and various building parts, such as interior walls and the like, which risk preventing the expansion of the paint, cannot be permitted.

På grund av bl.a. ovan nämnda problem med brandskyddsmålninghar hattbalkar i form av samverkansbalkar i stål och betongutvecklats, som innebär att underflänsen inte behöver brand-skyddas. En sådan balk är exempelvis känd genom det svenska patentet 437 364. Hattbalkens hålutrymme mellan liv och flän- sar fylls med betong. I nedre delen av betonggjutningen är ettantal längsgående, kraftiga armeringsjärn fixerade. När under-flänsen uppvärms och försvagas på grund av branden övertar deingjutna och. av betong värmeskyddade armeringsjärnen under-flänsens spänningsupptagande tvärsnittsfunktion. För att ståloch betong ska samverka statiskt och ej förskjutas i förhål-lande till varandra krävs någon lämplig form av tätt place-rade, till stålet fixerade anordningar som överför erforder-liga krafter mellan stålet och den armerade betongen. Då be-tonggjutningen sker först i samband med fogning av bjälklags-elementen på byggarbetsplatsen gäller på motsvarande sätt, somvid brandskyddsmâlade balkar, att brandmotståndet under bygg- tiden är begränsat.Due to i.a. In the above-mentioned problems with fire protection painting, hat beams in the form of interaction beams in steel and concrete have been developed, which means that the lower flange does not need to be fire-protected. Such a beam is known, for example, from Swedish patent 437 364. The hole space of the hat beam between the web and the flanges is filled with concrete. In the lower part of the concrete casting, a number of longitudinal, strong reinforcing bars are fixed. When the lower flange heats up and weakens due to the fire, the castings take over and. of concrete heat-protected reinforcement bars under the flange's stress-absorbing cross-sectional function. In order for steel and concrete to cooperate statically and not to shift in relation to each other, some suitable form of closely placed, steel-fixed devices is required which transmit the required forces between the steel and the reinforced concrete. As the concrete casting only takes place in connection with the joining of the floor elements at the construction site, it applies in a corresponding manner, as with fire-painted beams, that the fire resistance during construction is limited.

En samverkansbalk av stål och betong enligt ovan är givetvisdyrare att tillverka jämfört med en hattbalk av enbart stålmen den högre tillverkningskostnaden kan i många fall för-svaras genom. att kostnaderna för brandskyddsmålningen utgåroch brandskyddsmålningens tekniska nackdelar enligt ovan und-viks. På senare tid har dock betong mer generellt börjat ifrå- gasättas inom byggbranschen av miljöskäl.A cooperation beam of steel and concrete as above is of course more expensive to manufacture compared to a hat beam of steel alone, the higher manufacturing cost can in many cases be justified by. that the costs for the fire protection painting are borne and the technical disadvantages of the fire protection painting as above are avoided. Recently, however, concrete has more generally begun to be questioned in the construction industry for environmental reasons.

En tendens i samhället är vidare att kraven på brandskydd avstommar ökar. Inte minst gäller det stommar till större ochhögre byggnader där användningen av hattbalkar är mest frek-vent. Detta kan bl.a. konstateras i Boverkets förslag till EKSll som. kommer att ersätta. nu gällande EKS 10. I EKS doku-menten anges bl.a. kraven på olika konstruktioners bärförmågavid brand. I den typ av byggnader där ovan nämnda balkar van-ligen förekommer innebär förslaget enligt EKS ll att tidigarekrav på brandmotstånd i 60 minuter, eller krav på brandtekniskklass R 60, i många fall kommer att öka till 90 minuter eller till brandteknisk klass R 90. Vidare kommer i andra fall där tidigare R 60 eller R 90 krav gällde detta kunna komma att ökatill 120 minuter eller till brandteknisk klass R 120.A tendency in society is also that the requirements for fire protection are diminishing. This applies not least to frames for larger and taller buildings where the use of hat beams is most frequent. This can i.a. stated in the National Board of Housing, Building and Planning's proposal to EKSll as. will replace. current EKS 10. The EKS documents state, among other things: the requirements for the load-bearing capacity of different structures in the event of fire. In the type of buildings where the above-mentioned beams usually occur, the proposal according to EKS ll means that earlier requirements for fire resistance for 60 minutes, or requirements for fire technology class R 60, will in many cases increase to 90 minutes or to fire technology class R 90. Further will in other cases where previously R 60 or R 90 requirements applied, this may increase to 120 minutes or to fire technical class R 120.

En ökning av kraven på brandmotstånd ökar kostnaderna för så-väl vanliga hattbalkar som. hattbalkar av samverkanstyp. Förvanliga hattbalkar krävs större mängd brandskyddsfärg. Ett såhögt krav som R 120 kan också i många fall bli svårt att upp-fylla med brandskyddsmålning. För samverkansbalkarna krävs större mängd armering med ökade kostnader som följd.An increase in the requirements for fire resistance increases the costs for both standard hat beams and. hat beams of collaboration type. Ordinary hat beams require a larger amount of fire protection paint. A requirement as high as R 120 can also in many cases be difficult to meet with fire protection painting. The collaboration beams require a larger amount of reinforcement with increased costs as a result.

Föreliggande uppfinning löser ovan nämnda problem och innebären hattbalk av stål som uppfyller ökade krav på brandmotståndutan motsvarande ökade kostnader, och där något behov inte fö-religger vare sig av brandskyddsmålning eller igjutning avbalken med samverkande armerad betong. Balken har också ettredan från fabrik inbyggt brandskydd, vilket gör att brand under byggtiden kan hanteras.The present invention solves the above-mentioned problems and involves steel cap beams which meet increased requirements for fire resistance without corresponding increased costs, and where there is no need for either fire protection painting or casting of the beam with cooperating reinforced concrete. The beam also has a built-in fire protection from the factory, which means that fire can be handled during the construction period.

Uppfinningen beskrivs närmare under hänvisning till bifogad ritning, där Fig. 1 visar ett tvärsnitt av balken enligt uppfinningen.The invention is described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows a cross section of the beam according to the invention.

Med hänvisning till figur 1 visas hur hattbalkstvärsnittet avstål på känt sätt är sammansatt av två i huvudsak vertikalaliv 1,1', en horisontell till livens överdel fixerad över-fläns 2 och en utanför livens underkant utstickande horison-tell underfläns 3 utgörande upplag för bjälklag 4 av företrä-desvis prefabricerade betongelement. Ett stycke ovanför under-flänsen finns ett mellan och till respektive liv 1,1' fixeradhorisontell extra fläns 5. Mellan flänsen. 3 och flänsen 5finns ett brandskyddande material 6. Detta kan företrädesvisutgöras av en ca 20 mm tjock stenullsisolering med hög den- sitet.Referring to Figure 1, it is shown how the hat beam cross-section steel in a known manner is composed of two substantially vertical webs 1,1 ', a horizontal upper flange 2 fixed to the upper part of the waist and a horizontal lower flange 3 projecting outside the lower edge of the waist forming a floor for floor 4 of preferably prefabricated concrete elements. A piece above the lower flange there is a fixed extra flange 5 between and to the respective web 1,1 'fixed between the flange. 3 and the flange 5 there is a fire-protective material 6. This can preferably be constituted by an approximately 20 mm thick stone wool insulation with high density.

Ett vid höga temperaturer högvärdigt värmeisolerande material6 under flänsen 5 i kombination med den utanför liven l,l'ochovanför överflänsen 2 belägna betongen 4 med en hög värmeupp-tagande förmåga, innebärande ett kraftigt värmestrålningsut-byte från flänsen 5 inom balkens hålutrymme till de av beton-gen kylda och svalare liven l,l'respektive överflänsen 2, göratt den extra flänsens 5 temperaturökning vid brand begränsas.Därmed kommer flänsen 5 att kunna tillses ha full hållfasthetäven vid en nwcket långvarig brandpåverkan under balken ochkompensera bärighetsmässigt för den av branden exponerade och därigenom försvagade underflänsen 3.A high-quality heat-insulating material 6 under the flange 5 in combination with the concrete 4 located outside the web 1, 1 'and above the upper flange 2 with a high heat-absorbing ability, implying a strong heat radiation exchange from the flange 5 within the beam cavity to those of concrete cooled and cooler webs 1, 1 'and the upper flange 2, respectively, made the temperature increase of the auxiliary flange 5 limited in the event of a fire. weakened lower flange 3.

Förhållandet mellan tjockleken på balkens underfläns 3, över-fläns 2 samt fläns 5 kan anpassas i förhållande till varandraoch till värmeisoleringsförmàgan hos isoleringen 6, så att enoptimal bärförmåga erhålls för balktvärsnittet såväl vid brottlastdimensionering som vid dimensionering mot brand.The ratio between the thickness of the beam's lower flange 3, upper flange 2 and flange 5 can be adapted in relation to each other and to the thermal insulation capacity of the insulation 6, so that an optimum load-bearing capacity is obtained for the beam cross section both in fracture load dimensioning and in fire dimensioning.

Claims

f

1. Steel joist beam with a cross section having at least two substantially vertically oriented webs (1, 1 '), a horizontal upper flange (2) fixed to the upper part of the web, a horizontal lower flange (3) fixed to the lower part of the web and projecting outside the webs , constituting a support for floors (4) of preferably concrete elements, characterized in that a further horizontal flange HM is fixed to the web (1, 1 ') a piece above the lower flange (3) at the same time as a space between the lower flange (3) and the flange (5) contains a fire-insulating material (6).

Steel joist beam according to claim 1, characterized in that the heat-insulating material (6) is fixed in the beam already during the manufacture thereof.

Steel joist beam according to Claim 1 or 2, characterized in that the heat-insulating material (6) consists of high-density rock wool.