Numeryczna predykcja odporności ogniowej elementów strunobetonowych

• Autorzy: Seręga S.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.51.3.2018.3

Warianty tytułu

EN

Numerical Prediction of the Fire Resistance of Pretensioned Structural Elements

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Cel: Głównym celem artykułu jest przedstawienie modelu obliczeniowego elementów strunobetonowych poddanych oddziaływaniu obciążeń mechanicznych oraz temperatury pożarowej. W pracy skupiono się na porównaniu wyników obliczeń przeprowadzonych z zastosowaniem różnych podejść do modelowania efektów reologicznych wywołanych oddziaływaniem wysokiej temperatury. Przeanalizowano dwie metody opisu pełzania betonu w niestacjonarnym polu termicznym oraz pełzania stali zbrojeniowej zwykłej i sprężającej: bezpośrednią oraz pośrednią. Zaproponowano prosty sposób wyodrębnienia odkształcenia pełzania ze związków konstytutywnych stali sprężającej rekomendowanych w Eurokodzie 2. Przeprowadzono symulacje obliczeniowe dwóch typów konstrukcji: strunobetonowych płyt stropowych ogrzewanych od spodu oraz strunobetonowych belek ogrzewanych z trzech stron. Metody: W analizie konstrukcji wykorzystano podejście obliczeniowe obejmujące jedno- lub dwuwymiarową analizę termiczną na poziomie przekroju poprzecznego oraz jednowymiarową analizę mechaniczną (element belkowy) na poziomie konstrukcji – model 2Dθ+1DM. Symulacje obliczeniowe uwzględniały zmiany sztywności konstrukcji w wyniku degradacji termicznej parametrów materiałowych oraz rozwoju odkształceń reologicznych z wykorzystaniem podejścia opartego na siecznych sztywnościach. Pola temperatury oraz pola sił mechanicznych obliczono metodą elementów skończonych. Wyniki: Uzyskane wyniki obliczeń porównano z dostępnymi w literaturze rezultatami badań eksperymentalnych. Zaobserwowano, że modele materiału opisujące pełzanie stali w sposób bezpośredni prowadzą do wyników bardziej zgodnych z eksperymentem niż modele typu pośredniego. Analiza wykresów maksymalne ugięcie przęsła – czas trwania pożaru pokazuje, że model stali typu pośredniego prowadzi do bardziej sztywnej odpowiedzi konstrukcji w porównaniu z modelami typu bezpośredniego. Wnioski: Przedstawiona analiza obliczeniowa oparta na siecznej sztywności dobrze odtwarza zachowanie się elementów strunobetonowych w sytuacji jednoczesnego obciążenia mechanicznego i obciążenia wysoką temperaturą. W zakresie deformacji modele pełzania stali zbrojeniowej i sprężającej typu bezpośredniego prowadzą do rezultatów bardziej zgodnych z eksperymentem niż modele opisujące to zjawisko w sposób pośredni. Model pełzania stali typu pośredniego prowadzi do niekonserwatywnego oszacowania odporności ogniowej, jednakże uzyskane przeszacowanie odporności ogniowej nie jest istotne z praktycznego punktu widzenia.

EN

Aim: The main aim of this paper is to present a computational approach to modelling pretensioned concrete structures subjected to mechanical loads and fire temperature. The work focuses on the comparison between results of calculations obtained for explicit and implicit approaches to the modelling of high temperature rheological effects, i.e. transient creep of concrete and creep of reinforcing and prestressing steel. A simple method for the extraction of creep strains from Eurocode 2 stress-strain relations is proposed. Numerical simulations of two types of structures were performed: the pretensioned one-way slab heated from below and pretensioned three-face heated beams. Methods: The presented approach includes one- and two-dimensional thermal analyses at the cross-section level and a one-dimensional mechanical analysis (beam element) at the structural level – 2Dθ+1DM model. The secant stiffness approach was applied in the numerical simulations in order to take into account changes in the stiffness of the structure resulting from the thermal degradation of material parameters and development of rheological deformations. Thermal and mechanical fields were calculated using the finite element method. Results: The results of calculations were compared with the experiments available in the literature. It was observed that a better agreement between calculations and tests was obtained if the creep of steel was modelled using the explicit approach. The analysis of the heating time / maximum deflection diagrams shows that the implicit model of steel leads to a more rigid response of the structure in comparison to the explicit approach. Conclusions: The presented numerical analysis based on the secant stiffness approach is able to reproduce the behaviour of pretensioned concrete elements subjected to mechanical and thermal loads. The explicit high temperature creep models provide results that are in a better agreement with experiments than the outcomes of the implicit approach. The implicit creep model of prestressing steel also overestimates the fire resistance of the analysed structures. It should be noted, however, that this overestimation is not very important from the practical point of view.

Słowa kluczowe

PL

niestacjonarne pełzanie betonu; pełzanie stali; odporność ogniowa; strunobeton

EN

transient creep of concrete; creep of steel; fire resistance; pretensioned concrete

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 51, iss. 3
• Strony: 40--59
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wz.

Twórcy

autor

Seręga S.

• Politechnika Krakowska

Bibliografia

• [1] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (Dz.U. 2007 nr 44, poz. 287).
• [2] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 r. (Dz.U. Nr 75, poz. 690).
• [3] PN-EN 1992-1-2:2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1–2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.
• [4] Seręga S., A new simplified method for determining fire resistance of reinforced concrete sections, w: Proceedings of 6th International Conference Analytical Models and New Concepts in Concrete and Masonry Structures, 383–384, CD, 2008.
• [5] Meda A., Gambarova P.G., Bonomi M., High-performance concrete in fire-exposed reinforced concrete sections, “ACI Structural Journal” 2002, 99, 277–287.
• [6] Gawin D., Pesavento F., Schrefler B.A., Modeling of hygro-thermal behaviour of concrete at high temperature with thermo-chemical and mechanical material degradation, “Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering” 2003,(192), 1731–1771.
• [7] Seręga S., Effect of transverse reinforcement spacing on fire resistance of high strength concrete columns, “Fire Safety Journal” 2015, 71, 150–161.
• [8] Bratina S., Planinc I., Saje M., Turk G., NNon-linear fire-resistance analysis of reinforced concrete beams, “Structural Engineering and Mechanics” 2003, 16, 695–712, DOI: 10.12989/sem.2003.16.6.695.
• [9] Capua D.D., Mari A.R., Nonlinear analysis of reinforced concrete cross-sections exposed to fire, “Fire Safety Journal” 2007, 42, 139–149.
• [10] Kodur V.K.R., Dwaikat M., A numerical model for predicting the fire resistance of reinforced concrete beams, “Cement and Concrete Composites” 2008, 30, 431–443.
• [11] Seręga S., Wosatko A., Numerical prediction of fire resistance of RC beams, w: AIP Conference Proceedings, 2018, 130001–1–130001–10.
• [12] Andenberg Y., Thelandersson S., Stress and Deformation Characteristics of Concrete at Elevated Temperatures, Lund Institute of Technology, Lundt 1976.
• [13] Nielsen C., Pearce C., Bicanic N., Improved phenomenological modelling of transient thermal strains for concreter at high temperatures, “Computers and Concrete” 2004, 1, 189–209.
• [14] Gernay T., Franssen J.-M., A formulation of the Eurocode 2 concrete model at elevated temperature that includes an explicit term for transient creep, “Fire Safety Journal”, 2012, 51, 1–9.
• [15] ENV 1992-1-2:1995 Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1.2: General rules – Structural fire design.
• [16] Hordijk D.A., Local Approach to Fatigue of Concrete, Delft University of Technology, 1991.
• [17] Zhang B., Bicanic N., Fracture energy of high-performance concrete at high temperatures up to 450C: the effects of heating temperatures and testing conditions, “Magazine of Concrete Research” 2006, 58, 277–288.
• [18] Weigler H., Fischer R., Concrete at Temperatures between 100°C and 750°C, “Beton Herstellung und Verwedung” 1964, 33–46.
• [19] Persson B., Self-compacting concrete at fire temperatures, “Tech. Rep. TVBM” 2003, 3110, Lund University.
• [20] Harmathy T.Z., A comprehensive creep model, “Transactions of the ASME Journal of Basic Engineering” 1967, 89, 496–502.
• [21] Harmathy T.Z., Stanzak W.W., Elevated temperature tensile creep properties of some structural and prestressing steels, “American Society for Testing and Materials” 1970, 464, 186–208.
• [22] Gales J., Robertson L., Bisby L., Creep of prestressing steels in fire, “Fire and Materials” 2016, 40, 875–895.
• [23] Toric N., Sun R.R., Burgess I.W., Creep-free fire analysis of steel structures with Eurocode 3 material model, “Journal of Structural Fire Engineering” 2016, 7, 234–248.
• [24] Wei Y., Zhang L., Au F.T.K., Li J., Tsang N.C.M. , Thermal creep and relaxation of prestressing steel, “Construction and Building Materials” 2016, 128, 118–127.
• [25] Ruge J., Winkelmann O., Method for the determination of a critical value in case of instationary heating when simulating the influence of fire on steel, “Materialpruf” 1977, 19.
• [26] Voves B., Behaviour of prestressed concrete structures during fire,. Czech Technical University, Prague 1978.
• [27] Anderberg Y., Properties of Materials at High Temperatures Steel, Tech. rep., Division of Building Fire Safety and Technology, Lund Institute of Technology, 1983.
• [28] Gustaferro A., Selvaggio S. L., Fire endurance of simply supported prestressed concrete slabs, “PCI Journal” 1967, 12, 37–52.
• [29] PN-EN 1991-1-2:2004 Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru.
• [30] Poirier J.P., Creep of crystals: High-temperature deformation processes in metals, ceramics and minerals, Cambridge University Press, 1985.