Temperature distribution in air tight cavities of steel framed modular buildings when exposed to fire

A common way to construct large buildings is by assemble prefabricated modules around a load bearing steel construction. However, if a fire occurs these buildings can be subject to a rapid fire spread due to its cellular nature. By assembling modules side-by-side, gaps are created between the modules and these cavities must remain devoid of combustible material and remain air tight, even during fire. This to avoid that the air flow causes the cavities to work as “highways” for the fire spread which can lead to devastating damages. A Swedish example of a fire in a modular building is a residential building at Klintbacken, Luleå with a timber framed structure, which was constructed from prefabricated modules. The fire originated in a kitchen and spread through the cavities to several modular compartments and caused devastating damages on the construction. When buildings are constructed using a steel structure, high temperatures which occurs during a fire can cause the steel to lose its strength and stiffness. In some cases, unprotected steel members can resist fires without collapse, however to fulfil the fire resistance requirements the members do often need protection. To examine a steel structure in a modular building when exposed to fire, a fire test and temperature calculations have been performed and are presented in this thesis. The thesis is conducted in collaboration with Isolamin Sweden AB Part Group and consists of a fire test, theoretical calculations and a computer simulation using the finite element method. The aim of the thesis is to examine to what extent a steel column in a modular building is affected by a fire and to investigate the temperature distribution in the steel. For the fire test, a specimen consisted of a steel column and sandwich panels was created. The sandwich panels were assembled so that they created a cavity into where the steel column was placed. Temperature measuring devices such as thermocouples and a plate thermometer were placed on the specimen and a fire resistance furnace was used to simulate a fire. The fire test was performed for one hour and the fire corresponded to the ISO-834 fire curve. Furthermore, temperature calculations for the steel beam were made and five different models in the finite element code TASEF was created and simulated. The temperature curves used were the fire test time-temperature curve, the ISO 834-curve which represents a simplified fire, and the parametric fire curve with gamma value of 20. Three models were created where the steel beam was placed in contact to the mineral wool. Two models were created where a material with the properties of air was placed between the steel beam and the mineral wool. In the fire test the steel beam achieved a temperature of 41 °C. The most accurate simulation in TASEF was when simulating with the fire test time-temperature curve and the temperature achieved was 41°C. The theoretical calculated steel temperature achieved 36°C. The critical temperature for the steel column was calculated to 506 °C, which was not nearly achieved in the fire test, the theoretical calculations or in the computer simulations. Errors can occur in the result depending on the material properties which not correspond in the TASEF simulation and the fire test. Likewise, the theoretical calculations are based on constant parameters which in reality may vary with time and temperature. The differences are not negligible but can be assumed to not impact significantly on the result and therefore give a trustworthy result. Ett vanligt sätt att konstruera stora byggnader är att montera ihop prefabricerade moduler runt en bärande stålkonstruktion. Om en brand uppstår kan dessa byggnader dock bidra till en snabb brandspridning på grund av denna struktur. När modulerna monteras sida vid sida bildas hålrum mellan modulerna och det är då viktigt att dessa hålrum hålls fria från brännbart material och är lufttäta, även under brand. Detta för att undvika att luftflödet i hålrummen fungerar som ”motorvägar” för brandspridningen vilket kan leda till förödande konsekvenser. Ett svenskt exempel på en brand i en modulbyggnad är studentboendet på Klintbacken, Luleå, där byggnaden vad konstruerad med prefabricerade moduler och en stomme av trä. Branden startade i ett kök och spred sig via hålrummen till flera andra lägenheter och orsakade stora skador på konstruktionen. När byggnader konstrueras med en stålstomme kan höga temperaturer, som uppkommer vid brand, orsaka förlorad hållfasthet och styvhet hos stålet. I vissa fall kan oskyddat stål stå emot brand utan att kollapsa, men för att uppfylla kraven för hållfasthet vid brand måste stålet ofta skyddas. För att undersöka hur en stålkonstruktion i en modulbyggnad beter sig vid brand har ett brandtest och olika beräkningar genomförts och presenteras i den här rapporten. Arbetet utfördes i samarbete med Isolamin Sweden AB Part Group och består av ett brandtest, teoretiska beräkningar och en datasimulering med finita elementmetoden. Syftet med arbetet är att undersöka hur en stålbalk i en modulbyggnad påverkas av brand och vilken temperaturfördelning som uppstår i balken. En provkropp bestående av en stålbalk och sandwichpaneler monterades ihop till brandtestet. Sandwichpanelerna monterades så att ett hålrum bildades varpå stålbalken placerades där. Temperaturmätningsinstrument, så som termoelement och plattermoelement monterades på provkroppen och en brandugn användes för att simulera en brand. Brandtestet pågick i 60 minuter och branden motsvarande ISO 834-kurvan. Därefter genomfördes temperaturberäkningar för stålbalken där fem olika modeller skapades i den finita elementkoden TASEF. Temperaturkurvorna som användes i TASEF var temperaturkurvan uppmätt i brandtestet, ISO 834-kurvan som motsvarar en förenklad brand, och den parametriska brandkurvan med ett gammavärde på 20. Tre modeller skapades där stålbalken placerades i kontakt med mineralullen. Två modeller skapades där ett material med samma materialegenskaper som luft placerades mellan stålet och mineralullen. I brandtestet når stålbalken en temperatur på 41°C. Simuleringen i TASEF med tid-temperaturkurvan från brandtestet visade också en ståltemperatur på 41°C, vilket är den simuleringen som stämmer bäst överens med brandtestet. Den teoretiskt beräknade ståltemperaturen når en temperatur på 36°C. Den kritiska temperaturen för stålbalken beräknades till 506°C, vilket inte uppnåddes varken under brandtestet, de teoretiska beräkningarna eller simuleringar i TASEF. Felmarginaler kan uppstå i resultatet beroende på att materialegenskaperna skiljer sig i TASEF och i brandtestet. Likväl baseras de teoretiska beräkningarna på konstanta parametrar som i verkligheten kan variera med tid och temperatur. Skillnaderna kan inte försummas men kan antas ha sådan liten inverkan på resultatet att resultatet i sig kan betraktas trovärdigt.