Wybrane zagadnienia modelowania słupów stalowych poddanych oddziaływaniom pożarowym

• Autorzy: Król P. A. , Kwaśniewski L. , Łącki K. J.

Warianty tytułu

EN

Selected Issues Concerning the Use of Computational Techniques in the Design of Steel Pillars Subsequently Exposed to a Fire

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Celem artykułu jest wskazanie możliwości wykorzystania dostępnych, zaawansowanych narzędzi numerycznych do wirtualnego testowania konstrukcji poddanych oddziaływaniom symulowanego pożaru. Przy poprawnie skalibrowanym modelu obliczeniowym, testy przeniesione na platformę wirtualną mogą stanowić wiarygodną alternatywę dla tradycyjnych, kosztownych metod badawczych, w szczególności badań doświadczalnych konstrukcji w skali naturalnej. Wprowadzenie: Modelowanie słupów stalowych w warunkach pożaru napotyka poważne trudności z uwagi na problemy z dopasowaniem i właściwą kalibracją modelu numerycznego w sposób zapewniający jak najlepsze odwzorowanie warunków pracy, zbliżonych do tych, w jakich znajduje się rzeczywista konstrukcja. W trakcie pożaru, w elementach nośnych (słupach, ryglach) rzeczywistej konstrukcji, przesztywnionej w sposób naturalny elementami doń dochodzącymi generują się dodatkowe siły wewnętrzne, trudne do przewidzenia i których wielkość zależy od sztywności elementów zbiegających się w węzłach, sposobu ich deformacji, rozkładu pól temperatury itp. Ograniczenie zarówno przemieszczeniowych, jak i obrotowych stopni swobody wywołuje dodatkowe obciążenie, które w połączeniu ze zmniejszoną (na skutek działania podwyższonej temperatury) sztywnością elementu może powodować jego wcześniejsze wyboczenie i tym samym – zmniejszenie jego odporności pożarowej, często poniżej poziomu wymaganego odpowiednimi przepisami techniczno-budowlanymi. Metodyka: W niniejszym opracowaniu zaprezentowano wyniki analiz i symulacji numerycznych przeprowadzonych z uwzględnieniem nieliniowego charakteru zjawisk. W pracy położono nacisk na doskonalenie przyjętego modelu obliczeniowego, jego weryfikację i wielokryterialną walidację. W analizach uwzględniono kilka wariantów warunków brzegowych – zarówno termicznych, jak i mechanicznych. Wyniki analiz porównano z wynikami autentycznych badań laboratoryjnych przeprowadzonych w Uniwersytecie Ulster we współpracy z Uniwersytetem w Sheffield (Wielka Brytania), które wykorzystano do walidacji modelu numerycznego. Wnioski: Ciągły rozwój technik obliczeniowych stwarza możliwości wykorzystania w analizie konstrukcji budowlanych nowoczesnych metod i narzędzi komputerowych, pozwalających na prowadzenie zaawansowanych analiz termo-mechanicznych. Dostępne narzędzia numeryczne umożliwiają dokładną ocenę przyrostu temperatury elementów konstrukcyjnych z równoczesną analizą wpływu warunków środowiska na mechaniczną odpowiedź konstrukcji. Na obecnym etapie stosowanie tego typu technik obliczeniowych wymaga, poza umiejętnościami obsługi skomplikowanych, komercyjnych narzędzi komputerowych, także zaawansowanej, gruntownej wiedzy teoretycznej. Przeprowadzone analizy wykazały, jak pozornie nieistotne i trudne do uchwycenia błędy modelowe mogą wpływać na jakość uzyskanych wyników.

EN

Aim: The purpose of this study is identification of accessible advanced computational tools to facilitate virtual testing of structures exposed to the thermal action of fire. With correctly calibrated numeric models, structure tests transferred to a virtual platform can provide a credible alternative to traditional costly research methods, particularly experimental research performed on actual scale constructions. Introduction: The modelling process for steel pillars exposed to action of a fire faces serious difficulties because of problems involving matching and proper calibration of the numeric model to ensure the best possible reproduction of working conditions, similar to those in the actual environment. During a fire incident, additional internal forces are generated, which are difficult to predict, culminating in deformation of pillars and adjoining structure elements. Axial and rotational restraints can produce significant loadings which, together with reduced rigidity caused by thermal action, may cause premature buckling of pillars, often below accepted parameters required by relevant building regulations, and reduce pillars’ resistance to the consequence of fire. Methodology: The paper reveals results from an analysis and performed numeric simulations, and takes account of the non-linear character of outcomes. The paper provides a focus on the development of a selected numeric model, its verification and validation. The analysis includes several variations of boundary conditions covering thermal as well as mechanical issues. For validation purposes, the numeric prediction of structural reaction during heating was compared with published experimental data for tests performed at the University of Ulster in collaboration with the University of Sheffield, UK. Conclusions: The continuous development of computational techniques provides opportunities in the application of modern techniques and computer technology for performing advanced structural-thermal analysis for building structures. Available numeric tools allow for an accurate assessment of temperature increases in structures. Simultaneously, they facilitate an examination of influences caused by environmental conditions on the mechanical reaction of structures. In order to use such a computational technique a prerequisite lies in the ability to manipulate complex commercial software. Additionally, it is necessary to have advanced and in depth theoretical knowledge of the topic. Examination by authors reveal how seemingly insignificant and difficult to identify modelling errors can affect the quality of final results.

Słowa kluczowe

PL

pożar; słup stalowy; model numeryczny; weryfikacja; walidacja; kalibracja; sprzężone analizy termo-mechaniczne

EN

fire; steel column; numerical model; verification; validation; calibration; coupled structural-thermal analysis

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2014
• Tom: Nr 4
• Strony: 65--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., il.

Twórcy

autor

Król P. A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warszawa

autor

Kwaśniewski L.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warszawa;

autor

Łącki K. J.

• Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, ul. Słowackiego 52/54; 01-629 Warszawa

Bibliografia

• 1. PN-EN 1993-1-2:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Część 1-2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe, PKN, Warszawa 2007.
• 2. Franssen J.M., Failure temperature of a system comprising a restrained column submitted to fire, “Fire Safety Journal”, Vol. 34, 2000, pp. 191-207.
• 3. Vila Real P.M.M., Lopes N., Simoes da Silva L., Piloto P., Franssen J.M., Numerical modelling of steel beam-columns in case of fire - comparisons with Eurocode 3, “Fire Safety Journal”, Vol. 39, 2004, pp. 23–39.
• 4. Gomes F.C.T., Providencia e Costa P.M., Rodrigues J. P.C., Neves I.C., Buckling length of a steel column for fire design, “Engineering Structures”, Vol. 29, 2007, pp. 2497–2502.
• 5. Kosiorek M., Fire safety in regulations and designing, “Fire Protection”, Vol. 1 Issue1, 2002.
• 6. Shapiro, A., Heat Transfer in LS-DYNA, in: 5th European LS-DYNA Users Conference New Applications and Developments, Birmingham 2005.
• 7. Hallquist J.O., LS-DYNA Keyword Manual, Livermore, Livermore Software Technology Corporation, 2006.
• 8. Franssen J-M., Zaharia R., Design of Steel Structures Subjected to Fire: Background and Design Guide to Eurocode 3, “Fire Safety Journal”, Vol. 41, 2006, pp. 628-629.
• 9. PN-EN 1991-1-2:2006. Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru, PKN, Warszawa 2006.
• 10. Oberkampf W.L., Trucano T.G., and Hirsch C., Verification, validation, and predictive capability in computational engineering and physics, “Applied Mechanics”, Vol. 57 Issue 5, 2004, pp. 345–384.
• 11. Ali F. and O’Connor D., Structural performance of rotationally restrained steel columns in fire, “Fire Safety Journal”, Vol. 36 Issue 7, 2001, pp. 679-691.
• 12. Kwaśniewski L., Król P.A., Łącki K., Numerical modeling of steel columns in fire, Proceedings of COST Action C26 International Conference: Urban Habitat Constructions Under Catastrophic Events, Naples, Italy, 16-18 September 2010.
• 13. Wald F., da Silva L.S., Moore D., Santiago A., Experimental behaviour of steel joints under natural fire, ECCS - AISC Workshop, 2004.