Odporność ogniowa słupów stalowych i żelbetowych nagrzewanych z mniej niż czterech stron

• Autorzy: Szymkuć W. , Glema A. , Malendowski M.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.43.3.2016.9

Warianty tytułu

EN

Fire Resistance of Steel and Reinforced Concrete Columns Exposed to Fire on Less Than Four Sides

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wprowadzenie: W artykule przedstawiono problemy związane z odpornością ogniową słupów stalowych i żelbetowych nagrzewanych z mniej niż czterech stron, z uwzględnieniem elementów wbudowanych w ściany oddzielenia przeciwpożarowego. Jednostronne nagrzewanie słupa sprawia, że na jego przeciwległych stronach występują różne temperatury. Prowadzi to do powstawania przemieszczeń poziomych, które wywołują dodatkowe siły wewnętrzne w samym słupie, jego zamocowaniu oraz w przylegającej konstrukcji. Metody: W odniesieniu do słupów stalowych wskazano, że w normie PN-EN 1993-1-2 brakuje metod uproszczonych pozwalających na obliczenie nośności słupów stalowych poddanych oddziaływaniu wysokiej temperatury tylko z jednej strony. Opisano najważniejsze wnioski z prac badawczych przeprowadzanych w tym obszarze w ostatnich latach i wskazano możliwą do zastosowania metodę obliczania nośności tego typu elementów, uwzględniającą nierównomierny przebieg temperatury w elemencie. Tego typu nagrzewanie i związana z nim nierównomierna temperatura w obrębie przekroju sprawiają, że stal, w zależności od jej położenia w przekroju, wykazuje różne wartości parametrów takich jak granica plastyczności i moduł sprężystości. Uwzględnienie w obliczeniach rzeczywistej temperatury stalowego słupa pozwala na oszacowanie jego przemieszczeń, wywołanych wpływem nierównomiernej temperatury, od których zależą wielkości sił wewnętrznych i jego nośność. W odniesieniu do słupów żelbetowych opisano podstawowy podział metod obliczania nośności zawartych w PN-EN 1992-1-2, ze szczególnym zwróceniem uwagi na ich ograniczony zakres stosowania z uwagi na: typ konstrukcji, długość elementu, smukłość oraz wielkość mimośrodu obciążenia. Dokonano przeglądu metod pod kątem stosowania ich przy narażeniu na działanie ognia z mniej niż czterech stron. Przybliżono metodę zawartą w niemieckim załączniku krajowym do DIN-EN 1992-1-2, która pozwala na obliczenie nośności słupów wspornikowych poddanych działaniu ognia z jednej, trzech lub czterech stron. Przywołano pozycje literaturowe podające uproszczone metody obliczeń wraz z wnioskami. Dyskusja i Podsumowanie: Spośród potencjalnych rozwiązań omawianego problemu można wyróżnić: umieszczenie słupów poza ścianą oddzielenia pożarowego, zaprojektowanie połączenia pozwalającego na zawalenie się konstrukcji dachu do wnętrza hali, bez wywoływania nadmiernych sił poziomych oddziałujących na głowicę słupa lub wykorzystanie usztywnienia przylegającej konstrukcji do przeniesienia sił poziomych. Z uwagi na poziom skomplikowania bardziej zaawansowanych metod obliczania nośności, wskazane jest opracowanie metod uwzględniających nierównomierne nagrzewanie w sposób uproszczony, na bazie faktycznych przypadków pożarów budynków.

EN

Introduction: The paper describes problems associated with fire resistance of steel and reinforced concrete columns exposed to fire on less than four sides (such as embedded in firewalls). One-sided exposure is associated with varying temperatures on both sides of the column, which leads to the formation of lateral displacement, causing additional forces in the column, its fixing and in the adjacent structure. Methods: Steel columns: It is emphasised that in PN-EN 1993-1-2 there are no simplified methods which allow to calculate the load-bearing capacity of columns exposed to fire on one side. The article describes the most important conclusions of research work carried out in recent years with an indication of a potential method for calculating load-bearing capacity of such elements, which allows to take into consideration the uneven temperature in a given element. This type of heating and uneven temperature within the cross-section resulting from it, is associated with the variation of material parameters such as yield strength and elasticity modulus depending on location in the cross-section. Reinforced concrete columns: Basic division of methods provided by PN-EN 1992-1-2 is described with special emphasis on scope of its application limited by: the type of construction, the length of the element, its slenderness and the load eccentricity. A review of methods was performed in terms of their application when exposed to fire on less than four sides. A method in the German National Annex to DIN EN 1992-1-2 is described in detail; it allows to calculate the capacity of the load-bearing capacity of cantilever columns exposed to fire from one, three or four sides. Simplified additional methods from literature are briefly described along with their conclusions. Discussion and Conclusions: The following can be distinguished among potential solutions to the problem: placing the columns outside the firewall, designing a special connection which allows the roof structure to collapse into the warehouse without causing excessive horizontal forces acting on the column or using bracing of the adjacent structure to transfer horizontal forces. However, due to the complexity of more sophisticated methods, it would be advisable to develop methods taking into account uneven exposure in a simplified manner, based on actual cases of fires in buildings.

Słowa kluczowe

PL

odporność ogniowa; słup poddany działaniu ognia; ściana oddzielenia przeciwpożarowego; pożar; temperatura

EN

fire resistance; column exposed to fire; fire wall; fire; temperature

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 43, nr 3
• Strony: 95--104
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szymkuć W.

• Politechnika Poznańska

autor

Glema A.

• Politechnika Poznańska

autor

Malendowski M.

• Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (Dz. U. 2002 Nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
• [2] PN-EN 1993-1-2: 2007 Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne – Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
• [3] PN-EN 1994-1-2:2008 Eurokod 4. Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych. Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.
• [4] Correia, A.J.P.M., Fire resistance of steel and composite steel-concrete columns, PhD thesis, Coimbra 2011.
• [5] Correia A.J.P.M., Rodrigues J.P.C., Vila Real P., Thermal bowing on steel columns embedded on walls under fire conditions, “Fire Safety Journal” 2014, 67, 53-69.
• [6] Garlock M.E.M., Quiel S.E., Mechanics of Wide-flanged Steel Sections that Develop Thermal Gradients Due to Fire Exposure, “Steel Structures” 2007, 7, 153-162.
• [7] Lange D., Sjostrom J., Mechanical response of a partially restrained column exposed to localised fires, “Fire Safety Journal” 2014, 67, 82-95.
• [8] Biskupska N., Szymkuć W., Towards the simplified modelling of thermal and mechanical response of steel tubular columns exposed to localized fire, 12th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”, 2016. Artykuł przyjęty do publikacji w “Procedia Engineering”.
• [9] Obiala R., Vassart O., Zhao B.,. Sakji M.S, de la Quintana J., Morente F., Franssen J.-M., Lansival J.-B., Fire safety of industrial halls – A valorisation project, Research Fund for Coal and Steel, Final report RFS2-CT-2007-00032, 2010.
• [10] PN-EN 1992-1-2:2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.
• [11] Kosiorek M., Parametry materiałowe i obciążenia przy określaniu odporności ogniowej, „Prace Instytutu Techniki Budowlanej” 1988, 4 (68), 5-13.
• [12] PN-EN 1990:2004 Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji.
• [13] Probabilistic Model Code, 12th draft, Joint Committee on Structural Safety, 2001.
• [14] Franssen J-M., Design of concrete columns based on EC2 tabulated data - a critical review, First International Workshop Structures in Fire, Copenhagen, 2000.
• [15] DIN EN 1992-1-2/NA:2010-12 Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall.
• [16] Haksaver A., Anderberg Y., Comparison between measured and computed structural response of some reinforced concrete columns in fire, “Fire Safety Journal” 1981, 4(82), 293-297.
• [17] Tao K.H., Yao Y., Fire Resistance of Reinforced Concrete Columns Subjected to 1-, 2-, and 3-Face Heating, “Journal of Structural Engineering” 2004, 130, 1820-1828.
• [18] Kodur V., Raut N., A simplified approach for predicting fire resistance of reinforced concrete columns under biaxial bending, Engineering Structures, 2012, 41, 428–443.
• [19] Crozier D.A., Sanjayan J.G., Tests of load-bearing slender reinforced concrete walls in fire, “ACI Structural Journal” 2000, 97, 243-251.
• [20] Achenbach M., Gernay T., Morgenthal G., Fire Resistance of Reinforced Concrete Columns Subjected to Standard Fire – Comparison of an Advanced and a Simplified Method, “Proceedings of the 9th International Conference on Structures in Fire (SiF 16)”, 2016, Princeton University, NJ, USA
• [21] NFPA 221: Standard for Fire Walls and Fire Barrier Walls. 2000 Edition, National Fire Protection Association.
• [22] Kosiorek M., Współczesne rozwiązania budynków a bezpieczeństwo pożarowe, Problemy naukowo-badawcze budownictwa 49 Konf. Nauk. Komit. Inż. Ląd. i Wod. PAN i Komit. Nauki PZITB „Krynica 2003”, Warszawa-Krynica, 14-19 września 2003, Tom I: Budynki użyteczności publicznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2003, s. 75-91

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.