Bazele metodei de proiectare la foc a planşeelor compuse otel-beton

PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC CARDINGTON Structura compusa otel-beton P+7E Dimensiuni in plan: 21m x 45m H: 33 m Inaltime etaj: 4.2 m

40-55% din grinzile de otel pot fi lasate fara protectie la foc, daca se protejeaza in mod corespunzator restul structurii metalice

PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC CARDINGTON Structura compusa otel-beton P+7E Dimensiuni in plan: 21m x 45m H: 33 m Inaltime etaj: 4.2 m

Test 1: Grinda fixata lateral 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

250 1000 200 800 Deplasare verticala (mm) 150 100 50 Deplasare verticala Temperatura maxima 600 400 200 Temperatura maxima ( C) 0 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Timp (min) Sageata maxima 232 mm (L/39) la 150 minute - 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 Sageata (% din deschidere) 3.0 2.0 1.0 0.0 Sageata = Deschidere/30 Test cadru Test standard 0 200 400 600 800 1000 Temperatura ( C)

Test 2: Cadru plan 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)

400 1000 Fara cedare la 150 minute, desi s-a produs voalarea zonei neprotejate a stalpilor, dupa 100minute Deplasare maxima verticala (mm) 350 300 250 200 150 100 50 Deplasare maxima verticala Temperatura stalpului 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Timp ( min ) 800 600 400 200 0 Temperatura maxima a stalpului ( C)

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

Test 3: Compartiment in coltul cladirii (1) 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

600 Deplasare maxima verticala Temperatura maxima 1200 Deplasare maxima verticala (mm) 500 400 300 200 100 1000 800 600 400 200 Temperatura maxima in otel ( C) 0 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Timp (min) 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)

Voalări locale au apărut în proximitatea unor îmbinări grindă-stâlp, dar, spre deosebire de Testul 2, şuruburile din îmbinare nu au cedat prin forfecare.

Test 4: Compartiment in coltul cladirii (2) 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 A B C D E F 4 4 3 5 6 2 21 m 2 1 3 1 45 m

Temperatura ( C) 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Medie Maxima 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Timp (min) 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 1051 o C dupa 102 minute. 1000 Temparatura maxima a otelului a fost de 903 o C,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. Temperatura ( C) 800 600 400 200 0 Grinda interna Grinda de capat 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Timp (min)

Test 5: Compartiment interior (1) 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 A B C D E F 4 4 3 5 6 2 21 m 2 1 3 1 45 m

800 700 600 Temperatura ( C) 500 400 300 Medie Maxima Temperatura maxima a gazelor fierbinti a fost 746 o C iar temperatura maxima in otel a fost 691 o C. 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Timp (min) Sageata maxima a planseului - 557mm. Fara cedare, chiar daca au aparut voalari locale si fisuri in imbinari.

Test 6: Compartiment interior (2) 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

1400 1200 Temperatura atmosferica ( C) 1000 800 600 400 Fara cedare, desi s-au produs deplasari verticale importante (sageata maxima 640mm) 200 0 Maxima Medie 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Timp (min) 700 Temperatura maxima gaze fierbinti - 1213 C Temperatura maxima otel - 1150 C Deplasare verticala(mm) 600 500 400 300 200 100 Deplasarea verticala maxima Temperatura otel 1200 1000 800 600 400 200 Temperatura ( C) 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Timp (min)

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.

Stalp Grinda Planseu Metoda uzuala de proiectare la foc considera ca elementele considerate izolat (analiza pe elemente) au un comportament similar in structura

Comportamentul real al planseelor compuse Cresterea temperaturii in timpul incendiului (a) Incovoiere (b) (c) Efect membrana

Fara efect de membrana Efect de membrana

Efect de membrana Y Linie de rupere Zona fortelor de intindere Y X X Compresiune pe linia de rupere Intindere pe linia de rupere

Linii de rupere Grinzi neprotejate Grinzi protejate

L Compresiune nl k b K T o D C L C L E nl C A Element 1 Element 2 l S T 2 Element 1 F φ T 2 S b K T o T 1 b K T o Intindere Resistance in long span = T Moment = M 0 0 Element 2 l Resistance in short span = KT Moment = µm 0 0

Armatura pe directia lunga cedeaza l Linia de rupere Deplasare spre interior Strivirea betonului Linia de rupere Deplasare spre interior

Validarea metodei prin incercari experimentale 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.

22 teste la temperatura normala si 22 teste pe modele identice la foc

PROGRAM DE INCERCARI LA FOC PE O PARCARE DESCHISA CTICM FRANTA 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 5m 16m 3 m 15 m 32m

2.5m 2.33m 5.0 m

0 min Test 1 Test 2

10 min Test 1 Test 2

Test 1 33 min 62 min

Test 2 25 min 44 min

Temperatura gaze fierbinti ( C) 1200 1000 800 600 400 200 0 Test 1 Test 2 0 30 60 90 120 150 180 210 Timp (min)

Temperatura otel ( C) 800 600 400 200 0 0 30 60 90 120 150 180 210 Timp (min) Grinda1 -Test 1 Grinda2 - Test 1 Grinda1 - Test 2 Grinda2 - Test 2

50 Deplasare verticala (mm) 0-50 -100-150 Grinda 2 - Test 1 Grinda 1 - Test 1 Grinda 2 - Test 2 Grinda 1 - Test 2 0 30 60 90 120 150 180 210 Time (min)

Vert. Disp. (mm) 0-40 -80-120 -160-200 Time (min) 0 15 30 45 60 75 Test Cal. 3D Cal. 2D Hori. Disp. (mm) B 3000 B A A 16000 16000

INCENDIUL DIN CLADIREA BROADGATE LONDRA, 1990 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)

INCERCARI LA FOC PE PLANSEE COMPUSE LA SCARA REALA SUB FOC ISO Metoda de calcul a planşeelor compuse ținând 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

Specimene experimentale FRACOF (proiectat REI120) COSSFIRE (proiectat REI90) IPE270 IPE300 HEB200 HEB260 IPE270 IPE270 IPE400 IPE300 IPE400 Pin joint

FRACOF COSSFIRE

58 mm 101 mm 107 mm 62 mm Tabla cutata: COFRAPLUS60 0.75 mm Beton: C30/37 155 mm FRACOF 135 mm COSSFIRE Plasa armatura 150x150mm Diametru: 7 mm Otel: S500 Distanta de la partea superioara a planseului: 50 mm FRACOF 35 mm COSSFIRE

Incarcare F R A C O F 15 saci nisip de 1512 kg Incarcare uniforma echivalenta: 390 kg/m² COSSFIRE 20 saci nisip de 1098 kg Incarcare uniforma echivalenta : 393 kg/m²

Pregatirea testului FRACOF 1 2 3 4

Evolutia temperaturii gazelor fierbinti 1200 Temperature ( C) 1000 800 600 400 200 0 ISO834 FRACOF COSSFIRE 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min)

Evolutia temperaturii in grinzile neprotejate Temperature ( C) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) FRACOF COSSFIRE A A B B C C

Evolutia temperaturii in grinzile protejate Temperature ( C) 700 600 500 400 300 200 100 0 A B C 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min)

Evolutia temperaturii in planseu Temperature ( C) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 DandE: reinforcing steel A' C 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) E D F Temperature ( C) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 A C E B D F DandE: reinforcing steel 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) FRACOF COSSFIRE

Evolutia deplasarilor verticale FRACOF D3 800 mm 1300 mm D3 D6 D7 COSSFIRE D4 D2 D1 1300 mm D5 D2 D1 1300 mm 1660 mm D4 D8 Vertical displacement (mm) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 D1 D2 D3 D4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min) Vertical displacement (mm) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Extrapolated results D1 D3 D2 D4 D5 D7 D8 D6 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Time (min)

COSSFIRE strivirea betonului 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

FRACOF - Cedarea imbinarii sudate intre plasele de armatura 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

Comparatie cu metoda de proiectare FRACOF COSSFIRE Test Metoda de proiectare Test 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

Concluzii in urma testelor sub foc ISO FRACOF si COSSFIRE 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

TESTUL FICEB GRINZI AJURATE

Densitatea sarcinii termice 700MJ/m 2 45 stive lemn (1m x 1m x 0.5 m inaltime) Încărcarea pe planşeu 3.25kN/m 2 44 de saci nisip, fiecare cu masa de 1 tona

Beam 5 Zone 3 Centre A B C D E F 1200 1000 Temperature ( C ) 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (min)

Deplasarea verticala a planseului

Fisura

1 k ay,θ 0,8 Reduction factors 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ 0 0 200 400 600 800 1 000 1 200 Temperature ( C)

Analiza numerica Model hibrid realizat in programul ANSYS, bazat pe diverse tipuri de Elemente Finite SHELL91 (6 DOF): Planseul de beton, fara nervuri BEAM24 : stalp PIPE16: conexiunea intre grinda si planseu Beam24 : grinda, tabla, nervuri

Model hibrid realizat in programul SAFIR, bazat pe diverse tipuri de Elemente Finite Element tip BEAM Element tip SHELL

Proprietatile termo-mecanice ale otelului: Proprietati termice conform EC4-1.2 Densitatea independenta de temperatura (ρ a = 7850 kg/m 3 ) 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

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: 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperature [ C]

Validarea modelului numeric ANSYS cu testul FRACOF Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica C B A C B A Grinzi otel neprotejate Grinzi secundare protejate C B A E D C A F B Grinzi principale protejate Planseu

Validarea modelului numeric ANSYS cu testul FRACOF Deformata planseului, simulata numeric la finalul testului Displacement (mm) 500 400 300 200 100 Central part Mid-span of of of the floor unprotected beams central secondary beams Mid-span of protected primary beams Test Simulation Mid-span of protected edge secondary beams 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 Time (min) Comparatia deplasarilor

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica C B A Grinzi secundare neprotejate E D C A F B Planseu

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalul testului Comparatia deplasarilor

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica C B A Grinzi secundare neprotejate E D C A F B Planseu

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalul testului Comparatia deplasarilor

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica Grinzi neprotejate Planseu

Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB Model hibrid pentru a considera comportamentul grinzilor ajurate, utilizand elemente BEAM 1 k ay,θ 0,8 Reduction factors 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ 0 0 200 400 600 800 1 000 1 200 Temperature ( C) 1,0 Reduction factors (x 1E-3) 0,8 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ k ay,θ 0,0 0 200 400 600 800 1 000 1 200 Temperature ( C)

Comparatia deplasarilor Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalul testului

www.macsfire.eu