Συµπεριφορά µεταλλικών και σύµµικτων συστηµάτων πλάκας σε πυρκαγιά Αριθµητική παραµετρική διερεύνηση της απλοποιηµένης µεθόδου σχεδιασµού
Περιεχόµενα παρουσίασης Στόχοι της Επίδραση της συνέχειας των ορίων της πλάκας 2
Στόχοι Υπόβαθρο FRACOF ( οκιµή 1)- COSSFIRE ( οκιµή 2) πραγµατικής κλίµακας κανονικής πυρκαγιάς δοκιµή Άριστη συµπεριφορά σε πυρκαγιά των σύµµικτων συστηµάτων δαπέδου (παρουσία της εφελκυστικής δράσης µεµβράνης) Maxθ µετάλλου 1000 C,διάρκειαπυρ.>120 min Γαλλικές κατασκευαστικές λεπτοµέρειες Βύθιση 450 mm FICEB ( οκιµή 3) πραγµατικής κλίµακας φυσικής πυρκαγιάς δοκιµή µε Κυψελωτή δοκό Στόχος Επιβεβαίωση της µεθόδου απλής σχεδίασης σε όλο το εύρος εφαρµογής της (χρησιµοποιώντας προηγµένα υπολογιστικά µοντέλα) Όριο βύθισης της πλάκας Επιµήκυνση του οπλισµού ενίσχυσης 3
(1/3) Μέγεθος καννάβου της πλάκας Κύριες δοκοί Μονωµένες δευτερεύουσες δοκοί Μη-µονωµένες ενδιάµεσες δοκοί 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 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m Επίπεδο φορτίου Σύµφωνα µε τον EC0 συνδυασµό δράσης σε κατάσταση πυρκαγιάς για κτίρια γραφείων: G (Μόνιµο φορτίο) + 0.5 Q (Κινητό φορτίο) G= Ίδιο βάρος + 1.25 kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m² 4
(2/3) Τρόπος σύνδεσης µεταξύ πλάκας και µεταλλικών στύλων Πλάκα σκυροδέµατος Πλάκα σκυροδέµατος Slab-panel Slab-panel Στύλος οκός ιατµητικός ήλος Στύλος οκός Με µηχανική σύνδεση µεταξύ πλάκας και στύλων ιατµητικός ήλος Χωρίς µηχανική σύνδεση µεταξύ πλάκας και στύλων 5
(3/3) Βαθµονόµηση σε πυρκαγιά: R30, R60, R90 και R120 Temperature [ C] 1200 1000 800 600 400 200 R30 R60 R90 R120 Θέρµανση των περιµετρικών δοκών (Max. 550 C) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Time [min] 6
Υβριδικό µοντέλο βασισµένο σε διαφόρους τύπους πεπερασµένων στοιχείων µε τον υπολογιστικό κώδικα ANSYS SHELL91 (6 DOF multi-layer): συµπαγές τµήµα πλάκας ΟΣ BEAM24 : Μεταλλικός στύλος PIPE16 (6 DOF µονοαξονικό στοιχείο): Σύνδεση µεταξύ µεταλλικού στύλου και πλάκας ΟΣ Beam24 : Μεταλλική δοκός, Μεταλλικό υπόστρωµα, και εσοχή της πλάκας ΟΣ 7
Υβριδικό µοντέλο βασισµένο σε διαφόρους τύπους πεπερασµένων στοιχείων µε τον υπολογιστικό κώδικα SAFIR Στοιχείο δοκού Στοιχείο κελύφους 8
πλάκας S235 δοκοί COFRAPLUS60 τραπεζοειδές µεταλλικό υπόστρωµα (0.75 mm πάχος) Κανονικό βάρος σκυροδέµατος C30/37 S500 πλέγµα ενίσχυσης Μέση απόσταση ράβδων (από άνω επιφάνεια) = 45 mm 58 mm 101 107 mm mm 62 mm 120 mm (R30) 130 mm (R60) 140 mm (R90) 150 mm (R120) 9
Θερµο-µηχανικές ιδιότητες (1/2) Θερµο-µηχανικές ιδιότητες µετάλλου: Θερµικές ιδιότητες από EC4-1.2 Μονάδα µάζας ανεξάρτητη από θερµοκρασία (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Σχέσεις τάσεων-παραµορφώσεων : Stress [MPa] 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 Strain [%] 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 10
Θερµο-µηχανικές ιδιότητες (2/2) Θερµο-µηχανικές ιδιότητες σκυροδέµατος : Θερµικές ιδιότητες από EC4-1.2 Μονάδα µάζας συναρτήσει θερµοκρασίας σύµφωνα µεec4-1.2 Drucker-Prager κριτήριο διαροοής Μειωτικοί συµτελεστές θλίψης από EC4-1.2: 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature [ C] 11
ANSYS µε τη οκιµή 1 (1/2) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (ταφοράς θερµότητας) C B A C B A Μη-µονωµένες µεταλλικές δοκοί Μονωµένες δευτερεύουσες δοκοί C B A E D C A F B Μονωµένες κύριες δοκοί Σύµµικτη πλάκα 12
Στόχοι ANSYS µε τη οκιµή 1 (2/2) Σύγκριση µε δοκιµή πυρκαγιάς (βύθιση) Προσοµοίωση παραµορφωµένης πλάκας µετά τη δοκιµή 500 Test Displacement (mm) Central part Mid-span of of the floor unprotected central secondary beams 400 300 200 Simulation Mid-span of protected edge secondary beams Mid-span of protected primary beams 100 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 Time (min) Σύγκριση βυθίσεων (πλάκα και δοκοί) 13
SAFIR µε τη οκιµή 1 (1/2) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (ταφοράς θερµότητας) C B A Μη-µονωµένες µεταλλικές δοκοί E C A Σύµµικτη πλάκα D F B 14
SAFIR µε τη οκιµή 1 (2/2) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (βύθιση) Προσοµοιωµένες τάσεις στα άκρα της πλάκας δοκιµής Σύγκριση των βυθίσεων (πλάκα και δοκοί) 15
SAFIR µε τη οκιµή 2 (1/2) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (ταφοράς θερµότητας) C B A Μη-µονωµένες µεταλλικές δοκοί E D C A F B Σύµµικτη πλάκα 16
ANSYS µε τη οκιµή 2 (2/2) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (βύθιση) Προσοµοιωµένες τάσεις στα άκρα της πλάκας δοκιµής Σύγκριση των βυθίσεων (πλάκα και δοκοί) 17
SAFIR µε τη οκιµή 3 (1/3) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (ταφοράς θερµότητας) Μη-µονωµένες µεταλλικές δοκοί Σύµµικτη πλάκα 18
SAFIR µε τη οκιµή 3 (2/3) Υβριδικό µοντέλο για να συµπεριλάβει τη µεταλυγισµική συµπεριφορά του κορµού της δοκού χρησιµοποιώντας στοιχείο ΟΚΟΥ Reduction factors (x 1E-3) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 k ay,θ k Ea,θ k ap,θ 0 200 400 600 800 1 000 1 200 Temperature ( C) 1 Reduction factors 0,8 0,6 0,4 0,2 0 k ay,θ k Ea,θ k ap,θ 0 200 400 600 800 1 000 1 200 Temperature ( C) 19
ANSYS µε τη οκιµή 3 (3/3) Σύγκριση µε τη δοκιµή πυρκαγιάς (βύθιση) Προσοµοιωµένες τάσεις στα άκρα της πλάκας δοκιµής Σύγκριση των βυθίσεων (πλάκα και δοκοί) 20
Συνθήκες απαγόρευσης S1 S2 9 m S1 S2 S3 S4 C O R N E R 9 m 9 m 9 m οµικός κάνναβος πραγµατικού κτιρίου S3 S4 Μοντέλο ANSYS Συµπέρασµα Πιο σηµαντική πρόβλεψη βύθισης στο γωνιακό στοιχείο S4 µε 2 συνεχή όρια ενώ στα άλλα 3 µε 3 ή 4συνεχή όρια. 21
(1/4) Σύγκριση της FEA βύθισης µε µέγιστη επιτρεπόµενη βύθιση σύµφωνα µε την (Μέθοδο απλής σχεδίασης) 1000 Safe SDM limit [mm] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 R 30 R 60 R 90 R 120 Unsafe 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Advanced numerical model [mm] Με µηχανική σύνδεση µεταξύ πλάκας και στύλων στα προηγµένα υπολογιστικά µοντέλα 22
(2/4) Σύγκριση της FEA βύθισης µε µέγιστη επιτρεπόµενη βύθιση σύµφωνα µε την (Μέθοδο απλής σχεδίασης) SDM limit [mm] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Safe R 30 R 60 R 90 R 120 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Advanced numerical model [mm] Χωρίς µηχανική σύνδεση µεταξύ πλάκας και στύλων στα προηγµένα υπολογιστικά µοντέλα 10% Unsafe 23
(3/4) Σύγκριση του χρόνου όταν η FEA βύθιση αγγίζει άνοιγµα/30 µε πυραντίσταση σύµφωνα µε την SDM (Μέθοδο απλής σχεδίασης) 3 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m t Span/30 / t Fire Resistance 2 R 30 R 60 R 90 R 120 Συµπέρασµα 1 0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 Άνοιγµα/30 κριτήριο δεν ισχύει στη FEA για τη διάρκεια πυραντίστασης που προβλέπεται από την SDM 24
(4/4) Ικανότητα επιµήκυνσης των ράβδων ενίσχυσης Max. mechanical strain of reinforcing steel 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% R 30 R 60 R 90 R 120 0% Συµπέρασµα Επιµήκυνση του οπλισµού ενίσχυσης < 5 % = Ελάχιστη Επιτρεπόµενη ικανότητα επιµήκυνσης σύµφωνα µε EC4-1.2. 25
Η SDM (Μέθοδος απλής σχεδίασης) είναι προς την ασφαλή πλευρά σε σχέση µε τα αποτελέσµατα των προηγµένων υπολογιστικών µοντέλων. Σε ότι αφορά την επιµήκυνση του µεταλλικού πλέγµατος ενίσχυσης, παραµένει γενικά κάτω από 5 %. Οι µηχανικές συνδέσεις µεταξύ πλάκας και στύλων µπορούν να µειώσουν τη βύθιση ενός σύµµικτου συστήµατος δαπέδου σε κατάσταση πυρκαγιάς αλλά δεν είναι απαραίτητες ως κατασκευαστική λεπτοµέρεια. Η SDM είναι εφικτό να προβλέψει µε ασφαλή τρόπο τη δοµική συµπεριφορά µιας σύµµικτης µεταλλικής και ΟΣ πλάκας που υπόκειται σε κανονική πυρκαγιά. 26