DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Transkrypt

1 Proceedings of the 5 th International Conference on New Trends in Statics and Dynamics of Buildings October 19-20, 2006 Bratislava, Slovakia Faculty of Civil Engineering STU Bratislava Slovak Society of Mechanics SAS DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS M. Heblik 1, J. Pilśniak 2 Abstract The aim of this paper is to bring together two programs: FDS and ANSYS to make numerical simulation of the steel beams during fire. Program FDS was used to make fire simulation and ANSYS was used to calculate structural simulation: state of stress, strain and deflections. The estimation of time failure of steel beams was presented too. 1 WPROWADZENIE W artykule przedstawiono kompleksową analizę belki stalowej poddanej wpływom pożaru. Analiza wykonana została dwoma programami: FDS (symulacja warunków pożarowych) oraz ANSYS (analiza cieplna oraz strukturalna). Rys. 1 Schemat pomieszczenia (bez zewnętrznych przegród). Pomieszczenie o wymiarach 4.8x2.5x3.2 m (rys. 1) ulega spaleniu ta część symulacji wykonana została programem FDS. Wynikiem obliczeń są rozkłady temperatur na powierzchni belek stalowych. Drugim krokiem była analiza cieplna wykonana programem ANSYS. Ostatni etap to obliczenia naprężeń, odkształceń oraz ugięć 1 Mgr inż. M. Heblik Politechnika Śląska,. 2 Dr inż. J. Pilśniak, Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, jerzy.pilsniak@polsl.pl

2 programem ANSYS. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe rozkłady temperatur na powierzchniach ścian, mebli oraz belek stalowych. Rys. 2 Siatka metody różnic skończonych w płaszczyźnie pionowej 231 C 330 C C 129,6-421,4 C 3 Rys. 3 Rozkłady temperatur na powierzchniach ścian oraz belki stalowej.

3 2 SYMULACJA POŻARU Symulację numeryczną wykonano programem FDS [2]. Pomieszczenie (patrz rysunek 1) o wymiarach 4.8x2.5x3.2 m ulega spaleniu proces ten analizowany jest przez 1800 sekund. Podział siatki różnic skończonych w płaszczyźnie pionowej pokazano na rysunku 2. Temperatura spodu belki stalowej osiąga maksimum w 10 minucie i wynosi około 600 C, następnie opada do około 450 C. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe rozkłady temperatur na powierzchniach ścian oraz belek, natomiast na rysunku 4 pokazano zakres płomieni. 1011,8s 1012,5s 1013,5s 1014,3s 1015,8s 1017,5s Rys. 4 Rozkład płomieni w analizowanym pomieszczeniu 3 ANALIZA STRUKTURALNA Analiza strukturalna została wykonana programem ANSYS w dwóch etapach: 1. obliczenia termiczne: uzyskane rozkłady temperatur na powierzchni belek stanowią warunki brzegowe do analizy cieplnej ANSYS-em. Temperatury uzyskane tą drogą w całej objętości belki są następnie wykorzystane w etapie drugim. Do analizy przyjęto schemat belki wolnopodpartej długości 2,5 obciążonej obciążeniem rozłożonym q=48 kn/m. Przekrój wraz z wymiarami przedstawiono na rysunku poniżej.

4 0,5h b t s w h s t h Oznaczenie Wymiar [mm] h 200 b 80 t w 8 h s 184 t s 6 Rysunek 5. Przekrój poprzeczny belki stalowej 2. obliczenia wytrzymałościowe: obciążeniem na tym etapie symulacji są obciążenia termiczne oraz mechaniczne (obciążenie stropem itp.). Na rysunku 6 przedstawiono przyjmowane zależności modułu sprężystości oraz relacji σ (ε ) od temperatury. Obliczenia programem ANSYS były wykonywane dla modelu trójwymiarowego oraz z uwzględnieniem dużych deformacji. Na rysunku 6-8 przedstawiono wykres ugięć środka belki w czasie oraz kształt tracącej stateczność belki. Na podstawie wykresu ugięć można oszacować czas zniszczenia belki na około 320 sekund (W obliczeniach wytrzymałościowych pierwsze 200 sekund dotyczyło narastania obciążenia zewnętrznego do wartości docelowej). 4 WNIOSKI Przedstawiony sposób kompleksowej symulacji pozwolił na uzyskanie odpowiedzi na pytanie o czas krytyczny belki stalowej w czasie pożaru. Jest to ważny problem związany z zagrożeniem pożarami zwłaszcza w obiektach Moduł sprężystości E Zależność σ-ε Rys. 5 Moduł sprężystości oraz relacja σ (ε ) w funkcji temperatury.

5 Kształt belki w końcowej fazie obliczeń Zależność ugięcia od czasu Rys. 6 Kształt belki oraz wykres ugięć belki stalowej. Przemieszczenie [m] Wartości przemieszczenia UX w czasie dla węzła E E E E E E E Czas [s] 0.00E E-02 Rys. 7 Przemieszczenia poziome węzła 18654

6 E E E-02 Przemieszczenie [m] -2.82E E E E E E E-02 Czas [s] -8.00E-02 Rys. 8 Przemieszczenia pionowe węzła w których przebywają ludzie [1,3,4]. Niestety dostępne możliwości obliczeniowe pozwalają na analizę tylko wybranych elementów konstrukcji. Wydaje się jednak, że autorom udało się połączyć dwa programy : FDS oraz ANSYS uzyskując możliwość kompleksowej analizy elementów konstrukcji w czasie pożaru łącznie z określeniem czasu zniszczenia. 5 LITERATURA [1] Kosiorek M., Pogorzelski J., Laskowska Z., Pilich K.: Odporność ogniowa konstrukcji budowlanych, Arkady, Warszawa [2] FDS 4 Technical Reference Guide, [3] Karlsson B, Quintiere J. G.: Enclosure Fire Dynamics, CRC Press LLC [4] PILŚNIAK J., LASZCZAK M. : Utrata stateczności słupa stalowego w czasie pożaru, IV Polsko-Czesko- Słowackie Sympozjum TRWAŁOŚĆ BUDOWLI, Kamień Śląski, (2001).