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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
序章
バックグラウンド
鋼構造の最近の発展により、鋼セクションのウェブにカットされたさまざまなサイズと形状の開口部からなるセル状ビームの導入が見られました。これらは、同じ構造性能を提供するために必要な軽量/少ないスチールなど、開口部のない従来の梁に比べて多くの利点を提供し、セクションの深さ内でサービスに対応する能力を提供します。
ビームのウェブの開口部は、円形または長方形の場合がありますが、実際には任意の形状にすることができます。セルラービームは、開口部の形状が混在している場合があり、場合によっては、単一の孤立した開口部しかない場合があります。
セルラービームは、熱間圧延セクションまたは溶接鋼板から製造できます。構造セクションの場合、これには、ビームの長さに沿ってウェブの中心線の周りを切断し、次に 2 つの半分を一緒に溶接することが含まれます。非対称ビームは、異なるサイズのセクションの 2 つの半分を一緒に溶接することによって製造できます。板桁の場合、上フランジと下フランジの板厚を変えることで非対称にすることもできます。
ウェブ開口部を備えたビームは、開口部の近接とウェブの細さの結果として、火災限界状態 (FLS) で追加の故障モードが発生する可能性があるという点で、固体ビームとは異なる動作をします。中実の梁は一般に曲げに失敗しますが、ウェブ開口部のある梁は、次のようないくつかのメカニズムのいずれかで失敗する可能性があります。
- ウェブポストの座屈、
- 開口部のせん断、
- 開口部を中心に曲がるヴァンデール。
これらの故障モードは、一般に、同様の利用率の固体ビームよりも低い温度で発生するため、より厚い防火が必要になります。
構造ジオメトリの概要
円形のウェブ開口部を備えたビームを図 1 に示します。この図は、火災時のビームの性能に影響を与える重要な寸法の一部も示しています。
図 1 —円形の開口部を持つ梁
Key
| 1 | 鉄骨 |
| 2 | 円形の開口部 |
| 3 | 開口部の間隔 |
| 4 | ウェブ投稿 |
| 5 | エンドポスト |
| 6 | スペイン語 |
| 7 | 複合床スラブ |
このドキュメントのテストから生成されたデータは、円形の開口部、長方形の開口部、および 2 つの円形の開口部を結合して形成された細長い開口部を持つビームに使用できます。このデータは、開口部の周りに形状にちょうど接する (外接する) 円形、長方形、または細長い開口部を形成することによって、他の形状の開口部を評価するために控えめに使用することもできます。この例を図 2 に示します。不均一な形状の場合、形状の周りの極端な先端に接する最小の円が記述されます。
図 2 —開口部が混在する梁
Key
| 1 | 長方形の開口部の高さ |
| 2 | 長方形の開口部の幅 |
| 3 | オープニングの位置 |
| 4 | 両端が円形の細長い開口部 |
| 5 | 円の中に六角形の開口部 |
| 6 | 円の中に三角形の開口部 |
ISO 834-10 および ISO 834-11 との 相互作用
ほとんどの場合、ウェブの破損はビームの全体的な性能にとって重要ですが、下部フランジの破損も発生する可能性があります。
ウェブが重要な場合、対応する温度を関連するウェブ参照修正係数と組み合わせて使用して、限界鋼ウェブ温度を見つけることができます。この温度とその要素ウェブ セクション係数、および ISO 834-10 テスト データの製品固有の要素再分析を使用して、必要な耐火性評価を達成するための製品の厚さを決定できます。
ボトム フランジが重要な場合、鋼の限界温度、対応する要素のボトム フランジ セクション係数、および ISO 834-10 テスト データの製品固有の要素再分析を使用して、同様のアプローチ (修正係数を必要としない) が採用されます。必要な耐火定格を達成するための製品の厚さ。
鋼の温度分布
防火梁に関する多数の耐火性試験では、ウェブ開口部付近の梁のウェブのさまざまな部分の温度を、開口部から離れたウェブの中心の温度と比較すると、比率は次のようになります。の温度は適度に一定です。ウェブ温度が穴の端から少なくとも 250 mm 離れて測定される場合、穴はこの温度測定に影響を与えないと仮定できます。これはウェブ基準温度と呼ばれます。
このドキュメントでは、ウェブ基準温度に関連して、ウェブ ポスト幅の範囲と開口部周辺のポイント数の両方の温度比を評価するための関係が提供されています。
上部フランジのスチール温度は、同じサイズの下部フランジの温度の 75% であると想定できます。
防火材料の厚さを決定するプロセス
ウェブ開口部のある梁を保護するための防火材料の厚さを決定するには、次のことを理解することが重要です。
- a)火災限界状態での構造破壊モード
- b)破損点でのウェブポスト幅 (破損がウェブにある場合);
- c)破損時のウェブの温度
- d)破損時の下部フランジの温度
必要な防火量は、このドキュメントのテストから得られた熱情報と適切な構造計算モデルに基づいている必要があります。
細胞ビームの限界温度を導出するには、構造モデルを使用する必要があります。
構造計算モデルは、火にさらされたビームの現実的な分析を提供する必要があります。これは、火災条件下での関連する構造コンポーネントの期待される動作の信頼できる近似値につながるような方法で、基本的な物理的動作に基づいている必要があります。構造モデルの詳細な解析方法を定義することは、このドキュメントの範囲内ではありませんが、火災限界状態では、少なくとも次の故障モードを考慮する必要があります。
- グローバル垂直せん断;
- グローバル曲げモーメント;
- 開口部での垂直せん断;
- 開口部の曲げモーメント;
- 開口部のベンデール曲げモーメント;
- ウェブポスト座屈;
- ウェブポスト曲げ;
- Web ポスト水平せん断。
この文書では、ウェブ開口部を備えたビームの防火の厚さを決定するための 3 つの方法が参考資料の付録 A に記載されています。
- a)防火材料の分析
- b)製品固有の防火データを組み込んだ反復的な厚さ分析。
- c)製品固有の防火データを組み込んだ反復鋼温度分析。
Introduction
Background
Recent developments in steel construction have seen the introduction of cellular beams consisting of openings of various sizes and shapes cut in the web of the steel section. These offer a number of advantages over conventional beams without openings such as lighter/less steel required to provide the same structural performance and the ability to accommodate services within the depth of the section.
An opening in the web of a beam may be circular or rectangular but in reality can be any shape. Cellular beams may have a mixture of opening shapes and in some cases there may only be a single isolated opening.
Cellular beams can be fabricated from either hot rolled sections or welded steel plate. In the case of structural sections this involves cutting around the centre line of the web along the beams length and then welding the two halves together. Assymetric beams can be fabricated by welding together the two halves of different size sections. In the case of plate girders, asymmetry can also be achieved by using different plate thicknesses for the top and bottom flanges.
Beams with web openings behave differently to solid beams in that additional failure modes at the fire limit state (FLS) are possible as a result of the proximity of openings and web slenderness. Solid beams generally fail in bending but a beam with web openings can fail in one of several mechanisms which include:
- buckling of the web-post,
- shear at an opening,
- Vierendeel bending around the opening.
These failure modes generally occur at lower temperatures than for a solid beam at similar utilisation factors and therefore require greater thicknesses of fire protection.
Overview of structural geometry
A beam with circular web openings is illustrated in Figure 1. The figure also shows some of the important dimensions that will affect beam’s performance in fire.
Figure 1—Beam with circular openings
Key
| 1 | steel beam |
| 2 | circular opening |
| 3 | spacing of openings |
| 4 | web post |
| 5 | end post |
| 6 | span |
| 7 | composite floor slab |
Data generated from the tests in this document can be used for beams with circular openings, rectangular openings and elongated openings formed by joining two circular openings. The data can also be used conservatively to assess openings of other shapes by forming around the opening a circular, rectangular or elongated opening which just touches (circumscribes) the shape. Examples of this are shown in Figure 2. For non uniform shapes the smallest circle is described touching the extreme tips around the shape.
Figure 2—Beam with mixed openings
Key
| 1 | height of rectangular opening |
| 2 | width of rectangular opening |
| 3 | position of opening |
| 4 | elongated opening with circular ends |
| 5 | hexagonal opening inside a circle |
| 6 | triangular opening inside a circle |
Interaction with ISO 834-10 and ISO 834-11
In most cases, failure of the web will be critical to the overall performance of the beam but failure of the bottom flange may also occur.
Where the web is critical, its corresponding temperature can be used in conjunction with its relevant web reference modification factor to find the limiting steel web temperature. This temperature together with its elemental web section factor and the product specific elemental re-analysis of ISO 834-10 test data, can be used to determine a product thickness to achieve the required fire resistance rating.
Where the bottom flange is critical, a similar approach (without the need for modification factors) is adopted using its limiting steel temperature, its corresponding elemental bottom flange section factor and the product specific elemental re-analysis of ISO 834-10 test data to determine a product thickness to achieve the required fire resistance rating.
Steel temperature distribution
A large number of fire resistance tests on fire protected beams have shown that if the temperatures of various parts of the web of a beam in the vicinity of web openings are compared with the temperature of the centre of the web away from any openings, the ratio of the temperatures is reasonably constant. Where the web temperature is measured at least 250 mm from the edge of the hole it can be assumed that the hole has no effect on this temperature measurement. This is referred to as the web reference temperature.
In this document, a relationship is provided to assess the temperature ratios for both a range of web post widths and a number of points around openings in relation to the web reference temperature.
The top flange steel temperature may be assumed to be 75 % of the temperature of an equal sized bottom flange.
Process to determine the thickness of fire protection material
In order to determine a thickness of fire protection material to protect a beam with web openings it is important to understand:
- a) the structural failure mode at the fire limit state;
- b) the web-post width at the point of failure (if failure is in the web);
- c) the temperature of the web at failure;
- d) the temperature of the bottom flange at failure.
The amount of fire protection required should be based on the thermal information derived from the testing in this document and a suitable structural calculation model.
In order to derive limiting temperatures for cellular beams one should make use of a structural model.
Any structural calculation model should provide a realistic anlaysis of the beam exposed to fire. It should be based upon fundamental physical behaviour in such a way as to lead to a reliable approximation of the expected behaviour of the relevant structural component under fire conditions. It is not within the scope of this document to define the detailed analysis methods of the structural model, however, the following modes of failure as a minimum should be accounted for at the fire limit state:
- global vertical shear;
- global bending moment;
- vertical shear at openings;
- bending moment at openings;
- Vierendeel bending moment at openings;
- web-post buckling;
- web-post bending;
- web-post horizontal shear.
In this document, three methods are described in the informative Annex A to determine the thickness of fire protection for beams with web openings:
- a) analysis for any fire protection material;
- b) iterative thickness analysis incorporating product specific fire protection data;
- c) iterative steel temperature analysis incorporating product specific fire protection data.