Ambiguity in determining the critical temperature of a steel sway frame with semi-rigid joints

• Autorzy: Maslak M. , Pazdanowski M. , Snela M.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135240

Warianty tytułu

Niejednoznaczność w wyznaczaniu temperatury krytycznej stalowej ramy przechyłowej z podatnymi węzłami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The problem of uniqueness and representativeness of steel frame fire resistance assessment is considered in this paper. The thesis, that the selection of analysis method determines the result in both qualitative and quantitative terms is given scrutiny. It is also shown, that the differences between computed values may be significant. The selection of an appropriate computational model for an analysis of this type seems to be especially important, as the possible overestimation of the fire resistance determined during computation is equivalent to an unjustified optimism of the user with respect to the safety level warranted. In the considerations presented here the critical temperature determined for the whole bearing structure is considered as the measure of sought resistance. The determined temperature is associated with the bearing structure reaching the bearing capacity limit state subject to fire conditions, treated as accidental design situation. Two alternative computational methods have been applied during calculations: the first one - classical, based on 1st order statics and using the buckling length concept for members of the considered frame, and the second one - taking account of 2nd order phenomena via simple amplification of the horizontal loads applied to the frame. Special attention has been paid to the influence exerted on the final fire resistance of the considered structure by the real joint rigidity, decreasing with increasing temperature of the structural members. The obtained results differ not only in the value of determined temperature but also in the indicated location of the weakest frame component, determining its safety.

PL

W pracy rozważa się problem jednoznaczności i reprezentatywności oszacowania odporności ogniowej ramy stalowej. Weryfikacji poddano tezę, że wybór metody analizy determinuje uzyskany wynik zarówno pod względem ilościowym jak i jakościowym, a różnice pomiędzy wyliczonymi wartościami mogą okazać się znaczące. Dobór miarodajnego modelu obliczeniowego w tego typu analizie wydaje się być szczególnie ważny, bowiem ewentualne przeszacowanie wyznaczonej z obliczeń odporności jest równoznaczne z nieuzasadnionym optymizmem użytkownika budynku co do gwarantowanego mu poziomu bezpieczeństwa. W prezentowanych rozważaniach miarą poszukiwanej odporności jest temperatura krytyczna specyfikowana dla całego ustroju nośnego. Nie zależy ona od prognozowanego scenariusza rozwoju pożaru i z tego względu może zostać uznana za pewnego rodzaju charakterystykę samej konstrukcji. Wyznaczana temperatura kojarzona jest z osiągnięciem przez ustrój nośny stanu granicznego nośności w warunkach pożaru traktowanego jako wyjątkowa sytuacja projektowa. Nie oznacza to jednak natychmiastowej katastrofy badanej konstrukcji ale jedynie sytuację, gdy prawdopodobieństwo tego rodzaju zdarzenia staje się już na tyle duże że nie może być dalej akceptowane. Do szczegółowej analizy wykorzystano dwie alternatywne procedury obliczeń: pierwszą - opartą o klasyczną statykę pierwszego rzędu, z wykorzystaniem koncepcji długości wyboczeniowej elementów badanej ramy, i drugą - uwzględniającą efekty drugiego rzędu przez prostą amplifikację przyłożonego do tej ramy obciążenia poziomego.

Słowa kluczowe

EN

fire resistance; steel frame; critical temperature; fully rigid joint; semi rigid joint; end plate joint; beam to column joint

PL

odporność ogniowa; rama stalowa; temperatura krytyczna; węzeł sztywny; węzeł półsztywny; węzeł doczołowy; węzeł belka-słup

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 4
• Strony: 611--632
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Maslak M.

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Cracow, Poland

autor

Pazdanowski M.

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Cracow, Poland

autor

Snela M.

• Lublin University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. K.S. Al-Jabri, I.W. Burgess, T. Lennon, R.J. Plank, „Moment-rotation-temperature curves for semi-rigid joints”, Journal of Constructional Steel Research 61: 281-303, 2005.
• 2. M. Maslak, M. Pazdanowski, “Deformations of steel end-plate beam-to-column joint when subject to simulated steady-state and transient-state fire heating regimes”, Proceedings of the 9th European Scientific Conference on Steel and Composite Structures “Eurosteel 2021”, Sheffield, Great Britain, September 1-3, 2021, in print.
• 3. K.S. Al-Jabri, I.W. Burgess, R.J. Plank, „Spring-stiffness model for flexible end-plate bare-steel joints in fire”, Journal of Constructional Steel Research 61:1672-1691, 2005.
• 4. Wei-Yong Wang, Guo-Qiang Lia, Yu-Li Dong, „Experimental study and spring-component modelling of extended end-plate joints in fire”, Journal of Constructional Steel Research 63: 1127-1137, 2007.
• 5. L. Chen, Y.C. Wang, „Efficient modelling of large deflection behaviour of restrained steel structures with realistic endplate beam/column connections in fire”, Engineering Structures 43: 194-209, 2012.
• 6. Shuyuan Lin, Zhaohui Huang, Mizi Fan, „Modelling partial end-plate connections under fire conditions”, Journal of Constructional Steel Research 99:18-34, 2014.
• 7. Xuhong Qiang, F.S.K. Bijlaard, H. Kolstein, Xu Jiang, „Behaviour of beam-to-column high strength steel endplate connections under fire conditions - Part 1: Experimental study”, Engineering Structures” 64: 23-38, 2014.
• 8. Xuhong Qiang, F.S.K. Bijlaard, H. Kolstein, Xu Jiang, „Behaviour of beam-to-column high strength steel endplate connections under fire conditions - Part 2: Numerical study”, Engineering Structures” 64: 39-51, 2014.
• 9. A. Saedi Daryan, M. Yahyai, „Modelling of bolted angle connections in fire”, Fire Safety Journal 44: 976-988, 2009.
• 10. P. Pakala, V. Kodur, M. Dwaikat, „Critical factors influencing the fire performance of bolted double angle connections”, Engineering Structures 42: 106-114, 2012.
• 11. M. Sarraj, I.W. Burgess, J.B. Davison, R.J. Plank, „Finite element modelling of steel fin plate connections in fire”, Fire Safety Journal 42: 408-415, 2007.
• 12. S. Selamet, M.E. Garlock, „Fire resistance of steel shear connections”, Fire Safety Journal 68: 52-60, 2014.
• 13. Mei-Chun Zhua, Guo-Qiang Lib, „Behaviour of beam-to-column welded connections in steel structures after fire”, Procedia Engineering 210: 551-556, 2017.
• 14. N.H. Ramli-Sulong, A.Y. Elghazouli_, B.A. Izzuddin, „Behaviour and design of beam-to-column connections under fire conditions”, Fire Safety Journal 42: 437-451, 2007.
• 15. K.S. Al-Jabri, J.B. Davison, I.W. Burgess, „Performance of beam-to-column joints in fire - A review”, Fire Safety Journal 43: 50-62, 2008.
• 16. C.J. Mao, Y.J. Chiou, P.A. Hsiao, M.C. Ho, „Fire response of steel semi-rigid beam-column moment connections”, Journal of Constructional Steel Research 65: 1290-1303, 2009.
• 17. X.H. Dai, Y.C. Wang_, C.G. Bailey, „Numerical modelling of structural fire behaviour of restrained steel beam-column assemblies using typical joint types”, Engineering Structures 32: 2337-2351, 2010.
• 18. Y.C. Wang, X.H. Dai, C.G. Bailey, „An experimental study of relative structural fire behaviour and robustness of different types of steel joint in restrained steel frames”, Journal of Constructional Steel Research 67: 1149-1163, 2011.
• 19. L. Simoes da Silva, A. Santiago, P. Vila Real, „ A component model for the behaviour of steel joints at elevated temperatures”, Journal of Constructional Steel Research 57: 1169-1195, 2001.
• 20. F.M. Block, J.B. Davison, I.W. Burgess, R.J. Plank, „Principles of a component-based connection element for the analysis of steel frames in fire”, Engineering Structures 49: 1059-1067, 2013.
• 21. S. Spyrou, J.B. Davison, I.W. Burgess, R.J. Plank, „Experimental and analytical investigation of the ‘tension zone’ components within a steel joint at elevated temperatures”, Journal of Constructional Steel Research 60: 867-896, 2004.
• 22. S. Spyrou, J.B. Davison, I.W. Burgess, R.J. Plank, „Experimental and analytical investigation of the‘compression zone’ component within a steel joint at elevated temperatures”, Journal of Constructional Steel Research 60: 841-865, 2004.
• 23. A. Heidarpour, M.A. Bradford, „Elastic behaviour of panel zone in steel moment resisting frames at elevated temperatures”, Journal of Constructional Steel Research 65: 489-496, 2009.
• 24. M. Maslak, „Temperatura krytyczna konstrukcji stalowej”, Ochrona Przeciwpożarowa, 2(48): 2-7, 2014.
• 25. M. Maslak, M. Snela, „Temperatura krytyczna ramy stalowej z malejącą w pożarze sztywnością węzłów”, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Seria Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 283, 59 (3/12/II): 241-248, 2012.
• 26. M. Maslak, M. Snela, „Influence of increasing joint flexibility on critical temperature of steel frame in fire”, Zbirnik Naukowych Prac Ukrainskogo Institutu Staliewych Konstrukcij imieni W. M. Szimanowskogo, 9, 204-217, 2012.
• 27. M. Maslak, M. Snela, “Critical temperature of steel frame with joint flexibility increasing in fire - benchmark study prepared for the environment of Autodesk Robot Structural Analysis”, in: F. Wald et al. (Eds.), “COST Action TU0904, Integrated Fire Engineering and Response - Benchmark studies. Verification of numerical models in fire engineering”, CTU Publishing House, Czech Technical University in Prague; 281-307, 2014.
• 28. EN 1993-1-2, Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-2: General rules - structural fire design.
• 29. EN 1990, Eurocode - Basis of structural design.