Numerically Simulated Structural Response of a Bearing Steel Frame with Joints of Varying Stiffness to Fully Developed Fire Conditions

• Autorzy: Maślak Mariusz , Woźniczka Piotr

Identyfikatory

DOI

10.12845/sft.53.1.2019.2

Warianty tytułu

PL

Symulowana numerycznie reakcja na pożar rozwinięty stalowej ramy nośnej z węzłami o różnej sztywności

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Aim: This paper examines the responses of load-bearing steel frames to direct fire exposure and the associated impact of the monotonically increasing temperature of its components. For comparative purposes, the authors analysed in detail specific frames with beam-to-column joints differing in rigidity. Depending on whether there are stiffening ribs present and, if so, on where they are located, the fire resistance of the considered structural component is determined by the actual damage patterns. These can be manifested as local instability in the column web or as damage to the column flange or beam flange. The design of the joint is also one of the factors determining the redistribution of internal forces generated in the frame components when subjected to fire conditions. Methods: The authors identified, discussed and compared the dependencies determining the relationships between the temperature of the frame components, and the bending moments and axial forces induced in these components during a fire. These relationships were identified through a detailed analysis of a numerical example, in which the fire behaviour of three similar steel frames, differing in terms of their beam-to-column joint rigidity, was examined. In the first analysed case, a joint without any ribbing was examined, in the second case, a joint with horizontal ribs, and in the third case, a joint with horizontal and diagonal ribs. The relationships listed above are accompanied by corresponding the relationships specifying the dependencies between steel temperature and frame beam deflection. In addition, the analysis considers flexible supports with different rigidity to model the resistance of the columns to horizontal joint displacement. Results: It has been shown that the analysed types of the examined frame exhibit substantial differences in their predicted structural responses if the joints used in them and exposed to fire differ in rigidity. The identification of these differences and their qualitative and quantitative description constitute the main objective of this work. Conclusions: Frame behaviour under fire conditions is determined not only by frame geometry and the size of its structural members, designed to be able to fully bear their respective loads, but also, to the same extent, by the susceptibility to deformation of the bearing structure itself and the joints connecting the component structural members.

PL

Cel: W artykule autorzy analizowali sposób reakcji stalowej ramy nośnej na bezpośrednią ekspozycję ogniową oraz towarzyszący jej monotoniczny wzrost temperatury elementów badanej ramy. W celach porównawczych rozpatrzono ramy z węzłami typu rygiel – słup o różnym stopniu podatności. W zależności od tego, czy węzeł jest użebrowany i jak ewentualne żebra są rozmieszczone, o odporności ogniowej badanego ustroju nośnego decyduje inny sposób zniszczenia. Może to być zarówno lokalna utrata stateczności środnika słupa, jak i zniszczenie pasa rygla lub pasa słupa. Sposób konstrukcji węzła determinuje również schemat redystrybucji sił wewnętrznych generowanych w warunkach pożaru w elementach ramy. Metody: W pracy zidentyfikowano i porównano odpowiednie zależności specyfikujące relacje pomiędzy temperaturą elementów ramy a indukowanymi w tych elementach momentem zginającym i siłami osiowymi. Zależności te uzyskano po szczegółowej analizie przykładu numerycznego, w którym badano zachowanie w warunkach pożaru trzech odpowiadających sobie ram stalowych, przy czym w każdej z tych ram zastosowano węzły o innej sztywności. W pierwszym przypadku były to węzły z nieużebrowanym środnikiem, w drugim – ze środnikiem użebrowanym jedynie przez wykorzystanie żeber poziomych, w trzecim natomiast – węzły z żebrami poziomymi i żebrem ukośnym. W analizie dodatkowo zróżnicowano sztywność podparcia sprężystego modelującego podatność słupów ramy na poziome przemieszczenie węzłów. Wyniki: Uzyskane wyniki potwierdziły oczekiwany wniosek: w początkowej fazie pożaru w ryglach ramy dominuje ściskanie, co przekłada się na rozpychanie węzłów. Ze wzrostem temperatury elementów coraz większego znaczenia nabiera jednak wpływ narastającego ugięcia rygla, co w efekcie generuje postępujący zanik osiowej siły ściskającej. To z kolei powoduje ściąganie węzłów ramy do jej wnętrza. Tego typu ogólny schemat zachowania się ramy w pożarze ma jednak zasadniczo różny przebieg, jeśli tylko węzły ramy wykazują różną sztywność. Specyfikacja tych różnic oraz ich jakościowy i ilościowy opis są podstawowym celem prezentowanej pracy. Wnioski: Zachowanie się w pożarze rozwiniętym stalowej ramy nośnej warunkowane jest przez jej geometrię oraz rozmiary kształtujących ją elementów konstrukcyjnych o przekrojach zaprojektowanych tak, aby elementy te były zdolne do przenoszenia przyłożonych do nich obciążeń. W równym stopniu istotna jest podatność na deformacje zarówno samego ustroju nośnego, jak i poszczególnych węzłów scalających ten ustrój.

Słowa kluczowe

EN

steel frame; fire; temperature; joint susceptibility; displacement; redistribution of internal forces

PL

rama stalowa; pożar; temperatura; podatność węzłów; przemieszczenie; redystrybucja sił wewnętrznych

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Safety & Fire Technology
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 53, iss. 1
• Strony: 32--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Maślak Mariusz

• Cracow University of Technology / Politechnika Krakowska

autor

Woźniczka Piotr

• Cracow University of Technology / Politechnika Krakowska

Bibliografia

• [1] El-Rimawi J.A., Burgess I.W., Plank R.J., Studies of the behaviour of steel subframes with semi-rigid connections in fire, “Journal of Constructional Steel Research” 1999 , 49, 83–98.
• [2] Liu J., Jána T., Wald F., Internal forces in the structure during fire test, w: Proceedings of the 7th European Conference on Steel and Composite Structures “Eurosteel 2014”, R. Landolfo, F.M. Mazzolani (red.), Napoli, Italy, September 10–12, 2014, abstract 801–803, article– pen-drive, 6 pages.
• [3] EN 1993-1-2. 2005. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1–2: General rules. Structural fire design.
• [4] Maślak M., Pazdanowski M., Woźniczka P., Influence of joint stiffness on the behavior of steel bearing frame under fire conditions, w: Proceedings of the 8th European Conference on Steel and Composite Structures “Eurosteel 2017”, J. Jönsson (red.), Copenhagen, Denmark, September 13–15, 2017, article – pen-drive, 10 pages.
• [5] Maślak M., Pazdanowski M., Snela M., Redistribution of internal forces generated in a steel frame structure with flexible joints when exposed to a fire, w: Recent progress in steel and composite structures, Proceedings of the 13th International Conference on Metal Structures (ICMS 2016), M. Giżejowski, A. Kozłowski, J. Marcinowski, J. Ziółko (red.), Zielona Góra, Poland, June 15–17, 2016, CRC Press/Balkema, Leiden, The Netherlands, abstract pp. 136–137, article – CD 315–322.