View
216
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Bazele metodei de proiectare la foc a
planşeelor compuse otel-beton
Structura compusa otel-beton
P+7E
Dimensiuni in plan: 21m x 45m
H: 33 m
Inaltime etaj: 4.2 m
PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC –– CARDINGTON CARDINGTON
Structura compusa otel-beton
P+7E
Dimensiuni in plan: 21m x 45m
H: 33 m
Inaltime etaj: 4.2 m
PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC –– CARDINGTON CARDINGTON
40-55% din grinzile de otel pot fi
lasate fara protectie la foc, daca
se protejeaza in mod
corespunzator restul structurii
metalice
Structura compusa otel-beton
P+7E
Dimensiuni in plan: 21m x 45m
H: 33 m
Inaltime etaj: 4.2 m
PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC –– CARDINGTON CARDINGTON
Scop: investigarea comportamentului unei grinzi incalzite inconjurate de o structura
neancalzita
- Grinda secundara (imbinari articulate) + structura adiacenta la nivelul 7
- Cuptor special pe gaz (8m x 3m): grinda incalzita 150 minute
pe 8m (din cei 9m lungime), pastrand astfel imbinarile reci
Test 1: Grinda fixata lateral
Sageata maxima 232 mm (L/39) la 150 minute
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0
50
100
150
200
250
0
200
400
600
800
1000
Timp (min)
De
plas
are
ver
tical
a (m
m)
Tem
per
atur
a m
axim
a (
°C)
Deplasare verticala Temperatura maxima
0.0
1.0
2.0
3.0
0 200 400 600 800 1000
Temperatura (°C)
Sag
eata
(%
din
des
chid
ere)
Test cadru
Test standard
Sageata = Deschidere/30
- nici un semn de cedare in timpul
testului, doar o voalare locala a grinzii,
in ambele capete, in interiorul zonei
incalzite, in conditiile in care la 900°C
otelul pastreaza aproximativ 6% din
limita de curgere initiala;
- grinda izolata simplu rezemata cu
aceeasi sectiune compusa/ deschidere/
incarcare cedeaza la aproximativ 650°C
Scop: investigarea comportamentului unui cadru transversal, compus din 4 stalpi si
3 grinzi principale, complet incalzit
- Cuptor special pe gaz (21m x 2.5m): structura incalzita 150 minute
- Grinzile principale si secundare neprotejate; stalpii protejati pana la nivelul unui
posibil tavan fals (zona de 800mm din partea superioara a stalpului, inclusiv
imbinarile au ramas fara protectie)
Test 2: Cadru plan
Fara cedare la 150 minute,
desi s-a produs
voalarea zonei
neprotejate a stalpilor,
dupa 100minute
0 50 100 150 200 250 300 350 0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
200
400
600
800
1000
Timp ( min )
Tem
per
atu
ra m
axim
a a
sta
lpul
ui (
°C)
Deplasare maxima verticala Temperatura stalpului
)
Dep
lasa
re m
axim
a ve
rtic
ala
(m
m)
In faza de racire, cateva suruburi din imbinarile grinzilor secundare, de pe
o parte a grinzii principale, au cedat
Suruburile au fost forfecate datorita contractiei termice a grinzilor
secundare in timpul racirii
Contractia termica a generat forte de intindere importante, care s-au
relaxat ca urmare a forfecarii suruburilor
Scop: investigarea posibilitatii redistribuirii eforturilor, in conditiile in care se lasa
neprotejate grinzile secundare, complet expuse la foc
- Compartimentare zidarie 10m x 7.6m intr-un colt; sarcina termica 45kg lemn /mp
distribuit pe suprafata pardoselii
- Stalpii, imbinarile grinda-stalp si grinzile marginale au fost protejate la foc;
grinzile interioare au ramas neprotejate
Test 3: Compartiment in coltul cladirii (1)
– Fara cedare 75 minute (timp corespunzator temperaturii maxime),
desi temperatura maxima in grinda a fost de 1014°C (otel la 4% din
rezistenta initiala)
– Sageata maxima 428 mm (aproximativ L/20)
0 50 100 150 200 250 300 350 0
100
200
300
400
500
600
0
200
400
600
800
1000
1200
Timp (min)
Dep
lasa
re m
axim
a ve
rtic
ala
(m
m)
Tem
pera
tura
max
ima
in o
tel (
°C)
Deplasare maxima verticala Temperatura maxima
Voalări locale au apărut în proximitatea unor îmbinări grindă-stâlp, dar,
spre deosebire de Testul 2, şuruburile din îmbinare nu au cedat prin
forfecare.
Scop: investigarea posibilitatii redistribuirii eforturilor, in conditiile in care se lasa
neprotejate grinzile secundare, complet expuse la foc
- Compartimentare pe 54mp cu pereti usori REI120 intr-un colt; sarcina termica
40kg lemn /mp distribuit pe suprafata pardoselii
- Stalpii, imbinarile grinda-stalp si grinzile marginale au fost protejate la foc, cu
exceptia grinzii marginale exterioare E4/F4; grinzile interioare neprotejate
Test 4: Compartiment in coltul cladirii (2)
2
4
6
1 3
5
4
3
2
1
A B C D E F
21 m
45 m
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1,100
1,200
Timp (min)
Tem
pera
tura
(°C
)
Medie
Maxima
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Timp (min)
Tem
pera
tura
(°C
)
Grinda interna
Grinda de capat
Compartimentul a fost complet închis,
cu toate uşile şi ferestrele închise.
Pentru aportul de aer, după 55 si 64
minute, s-a demontat cate un panou de
fereastra. Intre 94 si 100 minute toate
ferestrele au fost distruse.
Temperatura maxima a gazelor fierbinti
a fost de 1051oC dupa 102 minute.
Temparatura maxima a otelului a fost
de 903oC,in talpa inferioara a grinzii
secundare centrale.
Grinda de capat a avut temperaturi
relativ reduse.
Nici una din grinzi nu a prezentat
voalari locale si nu au existat cedari
locale in imbinari.
Scop: investigarea posibilitatii redistribuirii eforturilor, in conditiile in care se lasa
neprotejate toate grinzile
- Compartimentare pe 340mp cu pereti usori REI120 pe toata latimea cladirii;
sarcina termica 40kg lemn /mp distribuit pe suprafata pardoselii
- Stalpii interiori si exteriori protejati pe toata inaltimea, incusiv imbinarile; toate
grinzile, inclusiv cele marginale au ramas neprotejate
Test 5: Compartiment interior (1)
2
4
6
1 3
5
4
3
2
1
A B C D E F
21 m
45 m
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0
100
200
300
400
500
600
700
800
Timp (min)
Tem
per
atu
ra (
°C)
Medie
Maxima
Temperatura maxima a gazelor fierbinti
a fost 746oC iar temperatura maxima
in otel a fost 691oC.
Sageata maxima a planseului - 557mm.
Fara cedare, chiar daca au aparut
voalari locale si fisuri in imbinari.
Scop: evaluarea comportarii structurii intr-un scenariu real de incendiu
- Compartimentare pe 154mp cu pereti zidarie intr-un colt; sarcina termica
provenita din mobilare obisnuita pentru birouri, pentru un echivalent de 46kg
lemn /mp;
- Stalpii si imbinarile grinda-stalp cu protectie foc; toate grinzile principale si
secundare, inclusiv imbinarile intre acestea, au ramas neprotejate
Test 6: Compartiment interior (2)
Temperatura maxima
gaze fierbinti - 1213 °C
Temperatura maxima otel - 1150°C
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Timp (min)
Tem
per
atu
ra a
tmos
feric
a (
°C)
Maxima
Medie
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Timp (min)
Dep
lasa
re v
ertic
ala
(mm
)
0
200
400
600
800
1000
1200
Tem
per
atu
ra (
°C)
Deplasarea verticala maxima
Temperatura otel
Fara cedare, desi s-au produs
deplasari verticale importante
(sageata maxima 640mm)
Structura nu a prezentat
semne de cedare, doar
voalari locale ale grinzilor
in zona imbinarilor.
• Concluzii in urma testelor efectuate la Cardington pe cladirea cu
structura compusa otel-beton
– In nici unul din testele la foc efectuate nu s-a produs colapsul
structurii;
– Comportare globala corespunzatoare a planseului compus,
chiar in conditiile incalzirii grinzilor din otel la peste 1000°C;
– Robustete mare a sistemului structural prin redistribuirea
eforturilor;
– Comportare la foc mai buna a elementelor in structura, fata de
situatia considerarii elementelor izolate.
Urmare a acestui program experimental, in care s-a evidentiat
efectul de membrana care apare la planseele compuse in
situatia de incendiu, s-au pus bazele unei metode de calcul
care surprinde acest fenomen, metoda dezvoltata de Prof.
Colin Bailey – Universitatea din Manchester, Marea Britanie.
Metoda uzuala de proiectare la foc considera ca
elementele considerate izolat (analiza pe elemente) au
un comportament similar in structura
Stalp Grinda Planseu
Comportamentul real al planseelor compuse
Cresterea temperaturii in timpul incendiului
Incovoiere Efect membrana
(a) (b) (c)
Efect de membrana
Fara efect de membrana
Efect de membrana
Compresiune pe linia de rupere
Intindere pe linia de rupere
Linie de rupere Zona fortelor de intindere Y Y
X X
Grinzi protejateGrinzi neprotejate
Linii de rupere
Compresiune
Intindere
Element 2
Element 1
L nL
l
nL
L
EC
A
S
φ
2T
b K To
Element 1
F
T1
k b K T o C
D
S
T
b K T
2
o
CL
Element 2 l
TM
0
0
KTµM
0
0
Resistance inlong span =Moment =
Resistance inshort span =Moment =
Linia de rupere Deplasare spre interior
Armatura pe directia lunga cedeaza l
Deplasare spre interior
Linia de rupere
Strivirea betonului
7 incercari la scara reala la Cardington
1 test la scara reala realizat la BRE test
10 teste la temperatura normala realizate in perioada 1960/1970
15 teste la scara redusa realizate la Universitatea din Sheffield in
2004
44 teste la scara redusa, la temperatura normala si la foc la
Universitatea din Manchester
Testele FRACOF si COSSFIRE sub actiunea focului standard ISO ests
Test la scara reala la Universitatea din Ulster in 2010.
Validarea metodei prin incercari experimentale
22 teste la temperatura
normala si 22 teste pe
modele identice la foc
Scop: evaluarea comportarii unei structuri compuse otel-beton pentru parcare
deschisa, intr-un scenariu real de incendiu
- 3 teste: primele doua au inclus 3 masini incendiate, al treilea a analizat
raspandirea focului intre 2 masini asezate fata in fata
- Stalpi si grinzi din otel fara protectie la foc
PROGRAM DE INCERCARI LA FOC PE O PARCARE DESCHISA – CTICM FRANTA
3 m
32m15 m
5m 16m
5.0 m2.33m
2.5m
0 min
Test 1 Test 2
10 min
Test 1 Test 2
Test 1
33 min 62 min
Test 2
25 min 44 min
0
200
400
600
800
1000
1200
0 30 60 90 120 150 180 210Timp (min)
Tem
pera
tura
ga
ze f
ierb
inti
(°C
)
Test 1
Test 2
0
200
400
600
800
0 30 60 90 120 150 180 210
Timp (min)
Tem
pera
tura
ote
l(°
C)
Grinda1 -Test 1
Grinda2 - Test 1
Grinda1 - Test 2
Grinda2 - Test 2
-150
-100
-50
0
50
0 30 60 90 120 150 180 210Time (min)
Dep
lasare
vert
icala
(mm
)
Grinda 2 - Test 1
Grinda 1 - Test 1
Grinda 2 - Test 2
Grinda 1 - Test 2
-200
-160
-120
-80
-40
0
0 15 30 45 60 75
Time (min)
Ve
rt.D
isp
. (m
m)
Test
Cal. 3D
Cal. 2DH
ori
.D
isp
. (m
m)
-200
-160
-120
-80
-40
0
-200
-160
-120
-80
-40
0
0 15 30 45 60 75
Time (min)
Ve
rt.D
isp
. (m
m)
Test
Cal. 3D
Cal. 2D
Test
Cal. 3D
Cal. 2DH
ori
.D
isp
. (m
m)
A A
B
B
16000 16000
3000
Cladire birouri P+14E, in constructie, sistemul de masuri active contra incendiului nu
era operational
Incendiul a inceput din interiorul unei baraci amplasate la etajul I
Grinzi I, grinzi cu zabrele, in conlucrare cu planseul de beton, fara protectie la foc
Stalpi partial protejati
Temperaturile maxime ale gazelor fierbinti estimate la 1000°C; temperatura maxima a
elementelor de otel neprotejate nu a depasit 600°C
Fara cedare, desi planseul a suferit deplasari importante (peste 600mm)
INCENDIUL DIN CLADIREA BROADGATE – LONDRA, 1990
Metoda de calcul a planşeelor compuse ţinând cont de efectul de membrană a fost
realizată în principal pe baza încercărilor la foc natural.
Conceptul de proiectare poate fi de asemenea aplicat folosind curba standard
temperatură – timp.
In acest scop au fost realizate doua programe experimentale, in cadrul proIectelor
europene FRACOF si COSSFIRE, finantate de Comisia Europeana prin RFCS
INCERCARI LA FOC PE PLANSEE COMPUSE LA SCARA REALA SUB FOC ISO
� FRACOF (proiectat REI120)
Specimene experimentale
IPE400
IPE300
IPE300
HEB260
IPE400 IPE400
IPE300
IPE300
HEB260
IPE400
Pin joint
IPE270 IPE270
IPE270
HEB200
Pin joint
IPE270 IPE270
IPE270
HEB200
� COSSFIRE (proiectat REI90)
FRACOF
COSSFIRE
Tabla cutata: COFRAPLUS60 – 0.75 mm
Beton: C30/37
15
5 m
m F
RA
CO
F
13
5 m
m C
OS
SF
IRE
58
mm
Plasa armatura
150x150mm
Diametru: 7 mm
Otel: S500
Distanta de la partea
superioara a
planseului:
• 50 mm FRACOF
• 35 mm COSSFIRE
62 mm
101 mm 107 mm
15 saci nisip
de 1512 kg
Incarcare
uniforma
echivalenta:
390 kg/m²
20 saci nisip
de 1098 kg
Incarcare
uniforma
echivalenta :
393 kg/m²
F
R
A
C
O
F
COSSFIRE
Incarcare
1 2
3 4
Pregatirea testului FRACOF
0
200
400
600
800
1000
1200
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Te
mp
era
ture
(°C
)
Time (min)
ISO834
FRACOF
COSSFIRE
Evolutia temperaturii gazelor fierbinti
0100200300400500600700800900
10001100
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Tem
pera
ture
(°C
)
Time (min)
A AB BC C
FRACOF COSSFIRE
Evolutia temperaturii in grinzile neprotejate
0
100
200
300
400
500
600
700
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Tem
pe
ratu
re (°C
)
Time (min)
A
B
C
Evolutia temperaturii in grinzile protejate
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Te
mp
era
ture
(°C
)
Time (min)
A' C
E
F
D
D and E:
reinforcing steel
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 30 60 90 120 150 180 210 240Te
mp
era
ture
(°C
)Time (min)
A BC DE F
D and E:
reinforcing steel
FRACOF COSSFIRE
Evolutia temperaturii in planseu
D1
D2
D3
D4
800 mm
D5 D2 D1
D3
D4
D7
D6
D8
1300
mm
1300
mm
1660
mm
1300
mm
Evolutia deplasarilor verticale
FRACOF COSSFIRE
050
100150200250300350400450500550600
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Ve
rtic
al d
isp
lace
men
t (m
m)
Time (min)
D1
D4D3
D2
050
100150200250300350400450500550600
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Ve
rtic
al d
isp
lac
em
en
t (m
m)
Time (min)
D1 D3
D2 D4
D5
D6D7 D8
Extrapolated results
Strivirea
betonului
COSSFIRE – strivirea betonului
Fara cedare dupa 120 minute, chiar daca la o grinda de capat, din cauza
protectiei la foc deteriorate au aparut deplasari excesive, care au
cauzat strivirea betonului la partea superioara
Fisura
Fara cedare dupa 120 minute, chiar daca la 105 minute a aparut o fisura
centrala, cauzata de cedarea imbinarii intre plasele de armatura,
realizata necorespunzator
FRACOF - Cedarea imbinarii sudate intre plasele de armatura
FRACOF COSSFIRE
TestMetoda de
proiectareTest
Metoda de
proiectare
Rezistenta la
foc - R (min)> 123 120 > 123 90
Sageata (mm) 450 (L+l)/30=513 527 (L+l)/30=522
• Observatie
– Testele au fost oprite dupa 123 minute de foc ISO, fara a se produce cedarea planseelor
Comparatie cu metoda de proiectare
– Comportare la foc corespunzatoare a planseelor compuse
protejate partial, sub foc ISO de lunga durata (> 120 minute)
datorita efectului de membrana
– Robustete mare a sistemului structural, in prezenta unor cedari
locale
– Metoda de proiectare ofera rezultate securitare in comparatie
cu rezultatele experimentale
Concluzii in urma testelor sub foc ISO – FRACOF si COSSFIRE
TESTUL FICEB – GRINZI AJURATE
Densitatea sarcinii termice 700MJ/m2
45 stive lemn (1m x 1m x 0.5 m inaltime)
Încărcarea pe planşeu 3.25kN/m2
44 de saci nisip, fiecare cu masa de 1 tona
Beam 5 Zone 3 Centre
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Time (min)
Te
mp
era
ture
(°C
)
A B C D E F
Deplasarea verticala a planseului
Fisura
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 200 400 600 800 1 000 1 200R
ed
uc
tio
n f
ac
tors
Temperature ( C)
kEa,θ
kap,θ
kay,θ
Analiza numerica
� Model hibrid realizat in programul ANSYS, bazat pe diverse tipuri de Elemente Finite
Beam24 : grinda, tabla, nervuri
PIPE16: conexiunea intre grinda siplanseu
BEAM24 : stalp
SHELL91 (6 DOF):
Planseul de beton, fara nervuri
Element tip
BEAM
Element tip
SHELL
� Model hibrid realizat in programul SAFIR, bazat pe diverse tipuri de Elemente Finite
� Proprietatile termo-mecanice ale otelului:
– Proprietati termice conform EC4-1.2
– Densitatea independenta de temperatura (ρa = 7850 kg/m3)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
Str
ess [
MP
a]
20 °C
100 °C
200 °C
300 °C
400 °C
500 °C
600 °C
700 °C
800 °C
900 °C
1000 °C
1100 °C
1200 °C
Strain
� Proprietatile termo-mecanice ale betonului:
– Proprietati termice confiorm EC4-1.2
– Desnitatea functie de temperatura conform EC4-1.2
– Criteriul de cedare Drucker-Prager
– Factori de reducere conform EC4-1.2:
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature [ C]
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Validarea modelului numeric ANSYS cu testul FRACOF
� Comparatie cu incercarile experimentale – analiza termica
Grinzi otel neprotejate Grinzi secundare protejate
Grinzi principale protejate Planseu
A
B
C
A
B
C
A
B
CF
B
A
C
D
E
Comparatia deplasarilor
0
100
200
300
400
500
0 15 30 45 60 75 90 105 120
Time (min)
Dis
pla
cem
en
t (m
m)
Mid-span of
unprotected
central
secondary beamsMid-span of
protected edge
secondary beamsMid-span of protected
primary beams
Central part
of the floor
Test Simulation
Mid-span of
unprotected
beams
Validarea modelului numeric ANSYS cu testul FRACOF
Deformata planseului, simulata numeric la finalultestului
Grinzi secundare neprotejate
Planseu
A
B
C
F
B
A
C
D
E
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF
� Comparatie cu incercarile experimentale – analiza termica
Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalultestului
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF
Comparatia deplasarilor
Grinzi secundare neprotejate
Planseu
A
B
C
F
B
A
C
D
E
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE
� Comparatie cu incercarile experimentale – analiza termica
Comparatia deplasarilor
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE
Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalultestului
Grinzi neprotejate
Planseu
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB
� Comparatie cu incercarile experimentale – analiza termica
� Model hibrid pentru a considera comportamentul grinzilor ajurate, utilizand elemente BEAM
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 200 400 600 800 1 000 1 200
Re
du
cti
on
fa
cto
rs
Temperature ( C)
kEa,θ
kap,θ
kay,θ
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 200 400 600 800 1 000 1 200
Re
du
cti
on
fa
cto
rs (x
1E
-3)
Temperature ( C)
kEa,θ
kap,θ
kay,θ
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB
Comparatia deplasarilor
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0F0
F0
F0
F0F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
F0
F0
F0 F0
F0
Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB
Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalultestului
www.macsfire.eu
Recommended