Bazele metodei de proiectare la foc a planşeelor ... · situatiade incendiu, s-au pus bazeleuneimetodede calcul care surprinde acest fenomen, metoda dezvoltata de Prof. Colin Bailey

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


P+7E


H: 33 m



40-55% din grinzile de otel pot fi

lasate fara protectie la foc, daca

se protejeaza in mod

corespunzator restul structurii

metalice


P+7E


H: 33 m



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.


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.


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


Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalultestului

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF


Grinzi secundare neprotejate

Planseu

A

B

C

F

B

A

C

D

E

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE



Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE


Grinzi neprotejate

Planseu

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB


� 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



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



www.macsfire.eu

Documents

Bazele metodei de proiectare la foc a planşeelor ... · situatiade incendiu, s-au pus bazeleuneimetodede calcul care surprinde acest fenomen, metoda dezvoltata de Prof. Colin Bailey