Użyteczność modelu obliczeniowego pojedynczej ramy poprzecznej w szacowaniu odporności ogniowej hali stalowej

• Autorzy: Maślak M. , Tkaczyk A. , Woźniczka P.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.45.1.2017.4

Warianty tytułu

EN

The Usability of a Computational Model of a Single Transverse Frame in the Fire Resistance Assessment of an Entire Steel Hall

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Cel: Celem zaprezentowanych rozważań jest wypracowanie miarodajnej odpowiedzi na pytanie o wiarygodność stosowania modelu obliczeniowego pojedynczej ramy poprzecznej wyizolowanej ze złożonego ustroju nośnego hali stalowej w ocenie odporności ogniowej tej hali. Badanie zachowania się w pożarze pojedynczej ramy poprzecznej poprzez weryfikację kolejnych potencjalnie możliwych form jej zniszczenia umożliwia specyfikację poszukiwanej odporności interpretowanej jako określona dla tej ramy temperatura krytyczna, niezależna od przyjętego scenariusza rozwoju pożaru. Temperatura ta kojarzona jest jednoznacznie z osiągnięciem przez ustrój nośny analizowanej ramy stanu granicznego nośności ogniowej. Metody: Do specyfikacji temperatury krytycznej wybranej ramy proponuje się procedurę obliczeniową opartą na uogólnionej na przypadek pożaru formule Merchanta-Rankine’a. Kwantyfikuje ona miarodajną nośność badanej ramy poprzez interakcję odpowiednich nośności skojarzonych z czysto sprężystą i czysto plastyczną formą jej zniszczenia. Opisano ograniczenia wybranej przez autorów metody oceny wynikające z konieczności akceptacji wielu upraszczających założeń formalnych. Pokazano również, jak na otrzymane rezultaty wpływa stopień złożoności zastosowanego modelu obliczeniowego. Wyniki: Weryfikację i walidację proponowanej w artykule procedury obliczeniowej przeprowadzono porównując przemieszczenia wybranych węzłów ramy poprzecznej hali stalowej analizowanej dla warunków pożaru. Chodziło o sprawdzenie, jakiego typu i jak duże rozbieżności wynikają z zastosowania uproszczonego modelu dwuwymiarowego pojedynczej ramy w stosunku do wyników otrzymanych z analizy pełnego trójwymiarowego modelu ustroju nośnego całej hali. Wnioski: Wykazano, że uproszczony model obliczeniowy pojedynczej ramy poprzecznej hali stalowej jest wystarczająco wiarygodny w przypadku, gdy o odporności ogniowej tej ramy decyduje pierwsza faza pożaru, gdy nie ma jeszcze znaczącego przyrostu prędkości deformacji elementów nośnych. Jeżeli jednak badana rama zapewnia bezpieczne przenoszenie przyłożonych do niej obciążeń także wtedy, gdy mamy do czynienia z dużymi deformacjami i znacznym osłabieniem elementów decydujących o nośności ramy, to oszacowanie prognozowanej odporności na podstawie modelu ograniczonego do pojedynczej ramy poprzecznej może być nazbyt optymistyczne. Nie uwzględnia bowiem przyspieszania ugięcia rygla przez ogrzane w pożarze płatwie dachowe rozciągane osiowo wskutek tak zwanego efektu cięgna.

EN

Aim: The aim of these considerations is to achieve a reliable answer to the question about the credibility of the use of a simple computational model with a single transverse frame isolated from a complex load-bearing structure of an entire steel hall in the fire resistance-evaluation of such a hall. The study of the behaviour of a simple transverse frame under fire conditions through checking all its potential failure modes allows to specify the required fire resistance which can be interpreted as the critical temperature set especially for this frame and being independent of the fire scenario adopted for the analysis. This temperature is unequivocally associated with the reaching by the frame load-bearing structure of the fire-resistance limit state. Methods: The classical Rankine-Merchant formula generalised to the fire case is proposed to be used in the specification of the critical temperature for the transverse frame selected for the analysis. It quantifies the reliable bearing capacity of the tested frame through the interaction of the appropriate capacities associated with purely elastic and purely plastic failure modes. The limitations of the assessment method recommended by the authors are described in detail, resulting from the need for the acceptance of many formal assumptions simplifying the analysis. The impact of the complexity of the formal model adopted for the assessed frame fire-resistance evaluation on the obtained results is also verified. Results: Both the verification and the validation of the computational procedure proposed by the authors in this article were performed by comparing the displacements of the selected nodes in the transverse frame analysed for fire conditions. The idea was to check what type of differences are obtained through the use of a simplified two-dimensional computational model of a single frame in relation to the corresponding results obtained when a complex three-dimensional model of the entire hall is considered, and how big they are. Conclusions: It has been shown that the simplified computational model of a single transverse frame selected from the entire steel hall seems to be sufficiently reliable in the case in which fire resistance of such a frame is determined by the first phase of this fire, when the deformation rate of all bearing members is not yet significantly increased. However, if the tested frame also ensures the safe transfer of all loads applied to it when we are dealing with large deformations and large weakening of the members determining the real capacity of such a frame then the assessment of the predicted fire resistance obtained on the basis of the model limited to the analysis of only a single transverse frame might prove to be too optimistic. It does not account for the acceleration of the deflection of the frame beam due to the action of the heated purlins being in tension as a consequence of the so called catenary effect.

Słowa kluczowe

PL

hala stalowa; odporność ogniowa; rama poprzeczna; model obliczeniowy; podejście Merchanta-Rankine’a; nośność sprężysta; nośność plastyczna; temperatura krytyczna

EN

steel hall; fire resistance; transverse frame; computational model; Rankine-Merchant approach; purely elastic resistance; purely plastic resistance; critical temperature

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 45, iss. 1
• Strony: 52--67
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wz.

Twórcy

autor

Maślak M.

• Politechnika Krakowska

autor

Tkaczyk A.

• Biuro Budowlane „Bauko S.C.”, Kielce

autor

Woźniczka P.

• Politechnika Krakowska

Bibliografia

• [1] Błyskal E., Ślęczka L., Przestrzenne modele obliczeniowe ramowych hal stalowych, „Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury”, 2015, 32(62), (3/II/15), 25–36.
• [2] Rankine W.J.M., Useful rules and tables, McGraw-Hill, London 1866.
• [3] Murzewski J., Teoria nośności losowej konstrukcji prętowych, PWN, Warszawa 1976.
• [4] Maquoi R., Jaspart J.-P., Merchant-Rankine approach for the design of steel and composite sway building frames, “Steel Structures”, 2002, 2, 1, 1–11.
• [5] Skowroński W., Plastic load capacity and stability of frames in fire, “Engineering Structures”, 1997, 19, 9, 764–771.
• [6] Toh W.S., Tan K.H., Fung T.C., Strength and stability of steel frames in fire: Rankine approach, “Journal of Structural engineering”, 2001, 127, 4, 461–469.
• [7] Maślak M., Rankine-Merchant approach to specification of flexural buckling coefficient for fire situation, [in:] Progress in steel and composite structures, Proceedings of the 12th International Conference on Metal Structures, Gosowski B., Rykaluk K., Ziółko J. (eds.), ICMS, Wrocław, June 15–17, 2011, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, 172–180.
• [8] PN-EN 1993-1-2 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Reguły ogólne. Część 1–2: Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
• [9] Maślak M., Trwałość pożarowa stalowych konstrukcji prętowych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2008.
• [10] Malendowski M., Glema A., Development and implementation of coupling method for CFD-FEM analyses of steel structures in natural fire, “Procedia Engineering” 2017, 172, 692–700.
• [11] Maślak M., Miarodajna gęstość obciążenia ogniowego strefy pożarowej – wartość nominalna z pojedynczej inwentaryzacji czy raczej statystycznie uzasadniona wartość charakterystyczna, BiTP Vol. 44 Issue 4, 2016, pp. 121–129.
• [12] Galambos T.V., Guide to stability design criteria for metal structures, John Wiley & Sons Inc., New York 1998 (fifth edition).
• [13] Vassart O., Brasseur M., Cajot L. G., Obiala R., Griffin A., Spasov Y., Renaud C., Zhao B., Arce C., de la Quintana J., Fire safety of industrial halls and low-rise buildings: realistic fire design, active safety measures, post-local failure simulation and performance based requirements, EUR 22568 EN Final Report, Luxembourg 2007.
• [14] Obiala R., Vassart O., Zhao B., Sakj M. S., de la Quintana J., Morente F., Fransen J.-M., Lansival J.-B., Fire safety of industrial halls. A valorization project, EUR 24222 EN Final Report, Luxembourg 2010.