Ocelobetonové stropní konstrukce vystavené požáru. Numerická simulace jednoduché metody

Transkript

1 Ocelobetonové stropní konstrukce vystavené požáru

2 Obsah prezentace Cíle 2

3 Cíle Motivace FRACOF (Test 1)- COSSFIRE (Test 2) požární zkouška podle nominální normové teplotní křivky velkého měřítka Dobrá požární odolnost kompozitního stropního systému (přítomnost membránového působení) Max oceli 1000 C, požární odolnost 120 min Francouzské konstrukční detaily Průhyb 450 mm FICEB (Test 3) zkouška velkého měřítka prolamovaného nosníku podle skutečného požáru Cíl jednoduché návrhové pro celý obsah použití (pomocí pokročilých výpočetních metod) Limitní průhyby stropní konstrukce Protažení výztužné ocelové sítě 3

4 (1/3) Velikost mřížky stropu Nosníky Chráněné stropnice Nechráněné vnitřní stropnice 6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m Zatížení Podle EC0 kombinace zatížení za požární situace pro kanceláře: G (stálé zatížení) Q (nahodilé zatížení) G= vlastní tíha kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m² 4

5 (2/3) Podmínky přípoje mezi deskou a sloupy Betonová deska Betonová deska Deska Deska Sloup Nosník Spřahovací trn S mechanickými spojovacími prostředky mezi deskou a sloupy Sloup Nosník Spřahovací trn Bez mechanických spojovacích prostředků mezi deskou a sloupy 5

6 (3/3) Délky požáru: R30, R60, R90 and R120 Temperature Teplota [ C] R30 R60 R90 R120 Ohřívání krajních nosníků (Max. 550 C) Čas Time [min] 6

7 Modelování pomocí Model složený z v softwaru ANSYS SHELL91 : tuhé části betonové desky BEAM24 : ocelový sloup PIPE16 : spojení mezi ocelovým nosníkem a betonovou deskou Beam24 : ocelový nosník, ocelový plech a betonové žebro 7

8 Modelování pomocí Model složený z v softwaru SAFIR Prvek BEAM Prvek SHELL 8

9 Deskové vlastnosti Nosníky z oceli S235 Trapézový ocelový plech COFRAPLUS60 (tloušťky 0.75 mm) Beton běžné hmotnosti C30/37 Výztužní ocelová síť S500 Průměrné umístění sítě (od horního okraje) = 45 mm 58 mm mm mm 120 mm (R30) 130 mm (R60) 140 mm (R90) 150 mm (R120) 62 mm 9

10 Tepelné a mechanické vlastnosti (1/2) Tepelné a mechanické vlastnosti oceli: Tepelné vlastnosti podle EC4-1.2 Jednotka hmotnosti nezávislá na teplotě (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Vztah mezi napětím a poměrným protažením: Napětí Stress [MPa] C 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C 1100 C 1200 C Poměrné protažení Strain [%] 10

11 Tepelné a mechanické vlastnosti (2/2) Tepelné a mechanické vlastnosti betonu: Tepelné vlastnosti podle EC4-1.2 Jednotka hmotnosti závislá na teplotě podle EC4-1.2 Podmínka plasticity Drucker-Prager Zmenšující součinitel podle EC4-1.2: Temperature Teplota [ C] 11

12 programem ANSYS vs Test 1 (1/2) Porovnání s výsledky zkoušek (analýza přenosu tepla) C B A C B A Nechráněné ocelové nosníky Chráněné stropnice C B A E D C A F B Chráněné hlavní nosníky Kompozitní deska 12

13 programem ANSYS vs Test 1 (2/2) Porovnání s výsledky zkoušek (průhyb) Simulovaný deformovaný tvar desky po zkoušce Displacement (mm) Mid-span of unprotected central Central part of the floor Mid-span of protected primary beams Test Simulation Mid-span of protected edge secondary beams Time (min) Porovnání průhybu (deska a nosníky) 13

14 programem SAFIR vs Test 1 (1/2) Porovnání s výsledky zkoušek (analýza přenosu tepla) C B A Nechráněné ocelové nosníky E D C A F B Kompozitní deska 14

15 programem ANSYS vs Test 1 (2/2) Porovnání s výsledky zkoušek (průhyb) Simulovaná napětí na desce na konci zkoušky Porovnání průhybu (deska a nosníky) 15

16 programem SAFIR vs Test 2 (1/2) Porovnání s výsledky zkoušek (analýza přenosu tepla) C B A Nechráněné ocelové nosníky E D C A F B Kompozitní deska 16

17 programem ANSYS vs Test 2 (2/2) Porovnání s výsledky zkoušek (průhyb) Simulovaná napětí na desce na konci zkoušky Porovnání průhybu (deska a nosníky) 17

18 programem SAFIR vs Test 3 (1/3) Porovnání s výsledky zkoušek (analýza přenosu tepla) Nechráněné ocelové nosníky Kompozitní deska 18

19 programem SAFIR vs Test 3 (2/3) Model zavádí do výpočtu boulení stojiny pomocí prvku BEAM element Před vyboulením stojiny Zmenšující Reduction součinitel factors (x 1E-3) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ k ay,θ 0, Temperature Teplota ( C) 1 Zmenšující Reduction součinitel factors 0,8 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ k ay,θ Po vyboulení stojiny Temperature Teplota ( C) 19

20 programem ANSYS vs Test 3 (3/3) Porovnání s výsledky zkoušek (průhyb) Simulovaná napětí na desce na konci zkoušky Porovnání průhybu (deska a nosníky) 20

21 konečných prvků S1 S3 S4 S2 C OR Ro Nh E R 9 m 9 m Konstrukční pole v budově Omezující podmínky 9 m 9 m Mezi všemi poli je rozhodující průhyb rohového pole s dvěma navazujícími okraji více než ostatní tři pole se třemi nebo čtyřmi navazujícími okraji. S1 S3 S2 S4 Model programem ANSYS 21

22 (1/4) Porovnání průhybu získaného z numerické analýzy s maximálním možným průhybem získaným z jednoduché návrhové (SDM) Maximum SDM z SDM limit [mm] bezpečně Safe R 30 R 60 R 90 R Pokročilý Advanced numerický numerical model [mm] S mechanickými spojovacími prostředky mezi deskou a sloupy v pokročilých výpočtech nebezpečně Unsafe 22

23 (2/4) Porovnání průhybu získaného z numerické analýzy s maximálním možným průhybem získaným z jednoduché návrhové (SDM) Maximum SDM z SDM limit [mm] bezpečně Safe R 30 R 60 R 90 R Pokročilý Advanced numerický numerical model [mm] 10% Bez mechanických spojovacích prostředků mezi deskou a sloupy v pokročilých výpočtech Unsafe nebezpečně 23

24 (3/4) Porovnání času, kdy průhyb získaný z numerické analýzy dosáhne rozpětí/30 s požární odolností podle jednoduché návrhové (SDM) 3 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m t Span/30 / t Fire Resistance 2 R 30 R 60 R 90 R ,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 Kritérium rozpětí/30 není v numerické analýze dosaženo po celou dobu požární odolnosti předpovídané SDM 24

25 (4/4) Protažení výztužné sítě Max. napětí ocelové výztuže 5% 4% 3% 2% 1% 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 R 30 R 60 R 90 R 120 0% Protažení výztuže 5 %, což je nejmenší protažení výztuže podle EC

26 SDM (Jednoduchá návrhová metoda) je na bezpečné straně v porovnání s výsledky pokročilých výpočetních metod. Protažení výztužné ocelové sítě zůstává nižší než 5%. Ohybově tuhé spojení desky na sloup může snížit průhyb kompozitního stropního systému za požární situace, ale není bezpodmínečně nutné. SDM je schopna předvídat bezpečně konstrukční chování kompozitní ocelobetonové stropní konstrukce vystavené požáru. 26