Teräspalkkirakenteiden palomitoitus hiilivetypalossa

Abstract

Työn tavoitteena oli kehittää teräspalkkirakenteiden palosuunnittelua ja palosuojauksen toteutusta öljynjalostamolla käytettävien kantavien teräspalkkirakenteiden osalta. Lisäksi tavoitteena oli luoda suunnitteluohjeen runko palomitoituksen toteuttamiseksi Neste Engineering Oy:ssä. Ongelmakohtia työssä olivat rakenteiden kapasiteettien tarkka määritys, toimivien toteutusratkaisujen etsiminen, sekä öljynjalostamolla mitoituspalona käytettävän hiilivetypalon SFS-ENV-1992-1-2 käyttö yleisemmin mitoituspalona käytettävän standardipalo ISO-834 sijaan.

Työssä perehdyttiin kirjallisuuden perusteella eri palosuojausmenetelmiin. Tarkemman jatkotutkimuksen kohteeksi otettiin jo käytössä hyväksi havaittu teräsputkipalkkien sisäpuoleinen betonitäyttö. Menetelmässä teräsputkipalkin oletetaan kantavan kuormat normaalitilassa ja sisällä olevan raudoitetun betonin palossa.

Palkkirakenteiden kapasiteettimitoitus määritettiin laskennallisesti poikkileikkauksille. Mitoitus perustuu palkissa tapahtuvien sisäisten venymien ja puristumien tarkasteluun, sekä poikkileikkauksen tarkan lämpötilajakauman huomioimiseen.

Raudoitustankojen ankkurointia palkki-pilari-liitoksessa kehitettiin valmistuksen kannalta yksioikoisemmaksi ja helpommin toteutettavaksi. Palkkien raudoituksiin suunniteltiin kierremuhvijatkoksella toteutettava ankkurointimenetelmä, jolla palkkien raudoitustangot saadaan ankkuroitua täydestä kapasiteetistaan tapauskohtaisesti pilarin vastakkaisella puolella olevaan palkkiin tai ankkurointikappaleella pilariin.

Teräsputkipilarin betonivalun vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin. Pilarin alapäähän asennettavan venttiilin läpi tapahtuva täyttö helpottaa betonointityövaihetta.

Tutkimuksen tuloksena luotiin suunnitteluohjeen runko, jonka pohjalta voidaan tehdä lopullinen ohje. Myös työn tuloksena saatu laskentaohjelma palkkien momentti-kapasiteetin ja pilarin nurjahduskuorman laskemiseksi helpottaa suunnittelua. Raudoituksen ankkurointiin ja betonointiin esitettyjen menetelmien toimivuus on syytä kokeilla käytännössä ja tehdä jatkokehitys näistä saatavien kokemusten pohjalta.

The purpose of this study has been to develop design methods and propose fireproofing techniques for load carrying steel beam structures used at an oil refinery. Additionally, fire design instructions were prepared for Neste Engineering Ltd. The main topics studied included defining the load carrying capacity of concrete filled steel beams at elevated temperatures and proposing a suitable method of implementing guidelines based on two standards for fire design: hydrocarbon fire SFS-ENV1992-1-2 and standard fire ISO-834.

A literature review of alternate fireproofing methods was completed. Concrete filled hollow section steel structures have been implemented in several fireproofing applications and this method was further studied and developed in this research. This design strategy assumes that the steel structure carries all the loads during normal operation and that the interior reinforced concrete carries all loads during a fire situation.

Load carrying capacities for reinforced concrete beam sections were calculated. Calculations took into account the interior bending stresses at various locations in a cross section based and the predicted temperature distribution.

The design of steel reinforcements for a beam-column joint was further developed so as to provide a more easy to assemble structure. A unique full-strength anchoring system for the steel reinforcements was designed.

To produce the concrete filled hollow sections, filling from the bottom end of the column instead of the top end was studied. This is achieved by pumping the concrete mass to the column through a special valve. This method decreases number of concrete filling holes.

The framework of a new design guideline for fireproofing of load carrying steel beam structures at an oil refinery was prepared. This will help standardize the design and fabrication processes at different locations. A simple program for computing moment capacity and buckling force was developed and will assist during the design process. Alternate methods for steel reinforcement were developed. These will be evaluated in practice.