Zasady projektowania systemów stropów zespolonych z niezabezpieczonymi ogniochronnie drugorzędnymi belkami stalowymi 14 czerwca 2011 r.
Zachowanie stropów stalowych i zespolonych w warunkach pożarowych Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Plan prezentacji analizy Właściwości analizy Rozmiary siatki stropu Poziomy obciążenia Połączenie stropu ze słupami stalowymi Odporność ogniowa: R30, R60, R90 i R120 Model numeryczny stropu Właściwości termo-mechaniczne materiałów użyte w MES termiczna konstrukcyjna Efekt ciągłości na brzegu stropu Ugięcie stropu Wydłużalność prętów zbrojeniowych
analizy Podstawy Cel standardowe badanie odporności ogniowej w pełnej skali w ramach projektu FRACOF Doskonałe zachowanie systemów stropów zespolonych w warunkach pożarowych (występowanie rozciągającego oddziaływania membranowego) Maks. stali 1000 C, oddziaływanie ognia 120 min Szczegóły konstrukcyjne Ugięcie 450 mm Weryfikacja uproszczonej metody projektowania w całej dziedzinie zastosowania (z użyciem zaawansowanych modeli obliczeniowych) Ograniczenie ugięcia stropu Wydłużenie stali zbrojeniowej
Właściwości analizy (1/3) Rozmiar siatki stropu Niezabezpieczone belki pośrednie Belki główne Zabezpieczone belki drugorzędne 6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m Poziomy obciążenia 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m Zgodnie z EC0 kombinacja obciążeń w warunkach pożarowych dla budynków biurowych jest równa: G (Obciążenie Stałe) + 0.5 Q (Obciążenie Zmienne) G= Ciężar własny + 1.25 kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m²
Właściwości analizy (2/3) Połączenie stropu ze słupami stalowymi Płyta Płyta Słup Słup Przy mechanicznym połączeniu stropu ze słupami Bez mechanicznego połączenia stropu ze słupami
Temperatura Temperature [ [ C] C] Właściwości analizy (3/3) Odporność ogniowa: R30, R60, R90 and R120 1200 1000 800 600 400 R120 R90 R60 R30 Nagrzewanie Heating of belek boundary obwodowych (maks. beams 550 C) (Max. 550 C) 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Czas Time [min]
Model MES Model hybrydowy oparty na kilku typach elementów skończonych oprogramowania ANSYS SHELL91 (6 DOF wielowarstwowy): masywna część płyty betonowej BEAM24 : słup stalowy PIPE16 (6 DOF element jednoosiowy): połączenie pomiędzy belką stalową i płytą betonową Beam24: belka stalowa, stalowy szalunek i betonowe żebro
58 mm Właściwości płyty stropowej Belki S235 Stalowe trapezowe deskowanie COFRAPLUS60 (0.75 mm grubości) Beton zwykły C30/37 Siatka zbrojeniowa S500 Położenie siatki, średnio (od górnej powierzchni) = 45 mm 101 107 mm mm 120 mm (R30) 130 mm (R60) 140 mm (R90) 150 mm (R120) 62 mm
Naprężenie [MPa] Stress [MPa] Właściwości termomechaniczne (1/2) Właściwości termomechaniczne stali: Właściwości termiczne według EC4-1.2 Gęstość niezależna od temperatury (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Zależność naprężenie-odkształcenie: 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 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 Odkształcenie Strain [%] [%]
Reduction factor Właściwości termomechaniczne (2/2) Właściwości termomechaniczne betonu: Właściwości termiczne według EC4-1.2 Gęstość w funkcji temperatury według EC4-1.2 Warunek plastyczności Druckera-Pragera Współczynniki redukcyjne wytrzymałości przy ściskaniu według EC4-1.2: 1.2 1,2 1 0.8 0,8 0.6 0,6 0.4 0,4 0.2 0,2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatura Temperature [ C] [ C]
(1/2) Porównanie z badaniem ogniowym (analiza przepływu ciepła) C B A C B A Niezabezpieczone belki stalowe Zabezpieczone belki drugorzędne C B A E D C A F B Zabezpieczone belki główne Płyta zespolona
Displacement Przemieszczenie (mm) (2/2) Porównanie z badaniem ogniowym (ugięcie) Symulowany kształt zdeformowanego stropu po badaniu 500 400 300 200 100 0 Środek Central part Mid-span of Środkowa rozpiętości of the floor unprotected część stropu niezabezpieczonej belki central środkowej secondary beams Środek rozpiętości Mid-span zabezpieczonych of protected belek primary beams głównych Test Simulation Środek Mid-span rozpiętości of protected zabezpieczonych edge secondary skrajnych beams belek drugorzędnych 0 15 30 45 60 75 90 105 120 Time Czas (min) Porównanie ugięcia (płyta i belki)
Efekt ciągłości na brzegu stropu Warunki zamocowania S1 S2 9 m S1 S2 S3 S4 C O R N E R 9 m S3 S4 9 m 9 m Siatka konstrukcyjna rzeczywistego budynku Wniosek Model ANSYS Znacznie ważniejsze są przewidywane ugięcia w narożniku siatki z 2 ciągłymi krawędziami niż w pozostałych 3 polach siatki z 3 lub 4 ciągłymi krawędziami.
Ograniczenie SDM limit SDM [mm] [mm] Niebezpiecznie Unsafe (1/4) Porównanie ugięcia obliczonego MES z maksymalnym dopuszczalnym ugięciem obliczonym według SDM (uproszczona metoda projektowania) 1000 Bezpiecznie Safe 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 R 30 R 60 R 90 R 120 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Zaawansowany Advanced numerical model numeryczny model [mm] Przy mechanicznym połączeniu stropu ze słupami w zaawansowanych obliczeniach
Ograniczenie SDM limit SDM [mm] [mm] Niebezpiecznie Unsafe (2/4) Porównanie ugięcia obliczonego MES z maksymalnym dopuszczalnym ugięciem obliczonym według SDM (uproszczona metoda projektowania) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Bezpiecznie Safe R 30 R 60 R 90 R 120 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Zaawansowany Advanced numerical model numeryczny model [mm] Bez mechanicznego połączenia stropu ze słupami w zaawansowanych obliczeniach 10%
(3/4) Porównanie czasu, gdy ugięcie obliczone MES osiąga rozpiętość/30 przy odporności ogniowej obliczonej według SDM (uproszczona metoda projektowania) 3 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m t rozpiętość/30 t Span/30 / t / Fire t odporność Resistance ogniowa 2 R 30 R 60 R 90 R 120 Wniosek 1 0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 Kryterium rozpiętość/30 nie jest osiągane w obliczeniach MES dla wszystkich okresów odporności ogniowej wyznaczonych przy pomocy SDM
Maks. mech. odkształcenie stali zbrojeniowej (4/4) Wydłużalność prętów zbrojeniowych 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 5% 4% 3% 2% 1% 0% R 30 R 60 R 90 R 120 Wniosek Wydłużalność stali zbrojeniowej 5 % = Minimum dopuszczalnej wydłużalności zgodnie z EC4-1.2.
SDM (uproszczona metoda projektowania) jest po bezpiecznej stronie w porównaniu z wynikami obliczeń metodami zaawansowanymi. Wydłużenie stalowej siatki zbrojeniowej pozostaje generalnie poniżej 5 %. Mechaniczne powiązania stropu ze słupami mogą zredukować ugięcie stropu zespolonego w warunkach pożarowych, ale nie są one konieczne jako detal konstrukcyjny. SDM jest w stanie przewidzieć, w bezpieczny sposób, konstrukcyjne zachowanie stropu zespolonego stalowobetonowego poddanego oddziaływaniu pożaru standardowego.