oddziaływanie membranowe w projektowaniu na warunki ... · • beton zwykły c30/37 ... 0 200 400...
Post on 17-Aug-2019
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Praca naukowa finansowana ze środków finansowych na naukę w roku 2012 przyznanych na realizację projektu międzynarodowego współfinansowanego
Oddziaływanie membranowe w projektowaniu na warunki
pożarowe płyt zespolonych z pełnymi i ażurowymi belkami
stalowymi – Waloryzacja
Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
2 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Cele analizy parametrycznej
• Właściwości analizy parametrycznej
• Analiza Metodą Elementów Skończonych
• Walidacja modelu numerycznego
• Efekt ciągłości na brzegu stropu
• Wyniki analizy parametrycznej
• Wnioski
Plan prezentacji
3 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Cele analizy parametrycznej
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
• Podstawy
– FRACOF (Badanie 1) – COSSFIRE (Badanie 2)
w warunkach pożaru standardowego, w pełnej skali
• Doskonałe zachowanie systemów stropów zespolonych w
warunkach pożarowych (występowanie rozciągającego
oddziaływania membranowego)
• Maks. stali 1000 °C, oddziaływanie ognia 120 min
• Szczegóły konstrukcyjne wg zaleceń francuskich
• Ugięcie 450 mm
– FICEB (Badanie 3) – badanie w pełnej skali w warunkach
pożaru naturalnego z belkami ażurowymi
• Cel
– Weryfikacja uproszczonej metody projektowania
w całej dziedzinie stosowania (z użyciem
zaawansowanych modeli obliczeniowych)
• Ograniczenie ugięcia stropu
• Wydłużenie stali zbrojeniowej
4 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
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
Belki główne
Zabezpieczone belki drugorzędne
Niezabezpieczone belki pośrednie
7.5 m x 15 m 9 m x 15 m
• Rozmiar siatki stropu
Właściwości analizy
parametrycznej (1/3)
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 lub 5 kN/m²
• Poziomy obciążenia
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
5 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Połączenie stropu ze słupami stalowymi
Płyta
Płyta
Słup
Słup
Przy mechanicznym
połączeniu płyty ze słupami Bez mechanicznego
połączenia płyty ze słupami
Belka
Sworzeń Belka
Sworzeń
Płyta betonowa
Płyta betonowa
Właściwości analizy
parametrycznej (2/3)
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
6 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Odporność ogniowa: R30, R60, R90 i R120
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Tem
pe
ratu
re [°
C]
Time [min]
R30
R120 R90
R60
Nagrzewanie belek
obwodowych
(maks. 550 °C)
Właściwości analizy
parametrycznej (3/3)
Te
mp
era
tura
[o C
]
Czas [min]
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
7 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Model MES
• Model hybrydowy oparty na kilku typach elementów
skończonych oprogramowania ANSYS
Beam24 : belka stalowa,
szalunek stalowy i żebro
betonowe PIPE16 (6 DOF element jednoosiowy):
połączenie pomiędzy belką stalową i
płytą betonową
BEAM24 :
słup stalowy
SHELL91 (6 DOF wielowarstwowy):
masywna część płyty betonowej
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
8 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Model MES
• Model hybrydowy oparty na kilku typach elementów
skończonych oprogramowania SAFIR
BEAM Element
SHELL Element
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
9 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Właściwości płyty stropowej
• Belki S235
• Stalowe trapezowe deskowanie COFRAPLUS60 (gr. 0,75 mm)
• Beton zwykły C30/37
• Siatka zbrojeniowa S500
• Położenie siatki, średnio (od górnej powierzchni) = 45 mm
58
mm
101
mm 107 mm
62 mm
120 mm (R30)
130 mm (R60)
140 mm (R90)
150 mm (R120)
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
10 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Właściwości termomechaniczne
(1/2)
• Właściwości termomechaniczne stali:
– Właściwości termiczne według EC4-1-2
– Gęstość niezależna od temperatury (ρa = 7850 kg/m3)
– Zależność naprężenie-odkształcenie:
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]
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
Nap
ręże
nie
[M
Pa
]
Odkształcenie [%]
Cele
Właściwości
analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
11 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• 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:
Objectives
Parametric study
properties
Finite Element
Analysis
Validation of the
numerical model
Effect of boundary
conditions
Parametric study
results
Conclusion
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 200 400 600 800 1000 1200
Re
du
cti
on
fa
cto
r
Temperature [ C]
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Temperatura [oC]
Właściwości termomechaniczne
(2/2)
12 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Weryfikacja modelu numerycznego
ANSYS w oparciu o badanie FRACOF
(1/2)
• Porównanie z badaniem ogniowym (analiza przepływu ciepła)
Niezabezpieczone belki stalowe Zabezpieczone belki drugorzędne
Zabezpieczone belki główne Płyta zespolona
A
B
C
A B
C
A B
C F
B
A
C
D
E
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
13 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (ugięcie)
0
100
200
300
400
500
0 15 30 45 60 75 90 105 120
Time (min)
Dis
pla
ce
men
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
Przewidywana postać
deformacji
Porównanie ugięcia (płyta i belki)
Prz
emie
szcz
enie
(m
m)
Czas (min)
Środek
rozpiętości
niezabezpieczonej
belki środkowej
Środkowa
część stropu
Środek rozpiętości
zabezpieczonych belek
głównych
Środek rozpiętości
zabezpieczonych
skrajnych belek
drugorzędnych
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
ANSYS w oparciu o badanie FRACOF
(2/2)
14 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (analiza przepływu ciepła)
Niezabezpieczone belki stalowe
Płyta zespolona
A
B
C
F
B
A
C
D
E
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie FRACOF
(1/2)
15 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (ugięcie)
Symulowane naprężenia w płycie na koniec badania
Porównanie doświadczanych i numerycznych wartości przemieszczeń pionowych
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie FRACOF
(2/2)
16 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (analiza przepływu ciepła)
Niezabezpieczone belki stalowe
Płyta zespolona
A
B
C
F
B
A
C
D
E
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie COSSFIRE
(1/2)
17 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (ugięcie)
Symulowane naprężenia w płycie na koniec badania
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Porównanie doświadczanych i numerycznych wartości przemieszczeń pionowych
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie COSSFIRE
(2/2)
18 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (analiza przepływu ciepła)
Niezabezpieczone belki stalowe
Płyta zespolona
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie FICEB
(1/3)
19 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Hybrydowy model uwzględniający utratę stateczności
(wyboczenie) środnika
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
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie FICEB
(2/3)
przed utratą stateczności
po utracie stateczności
20 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie z badaniem ogniowym (ugięcie)
Symulowane naprężenia w płycie na koniec badania
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
X Y
Z
Diamond 2009.a.4 for SAFIR
FILE: UlsterH1
NODES: 2031
BEAMS: 260
TRUSSES: 0
SHELLS: 1664
SOILS: 0
IMPOSED DOF PLOT
N1-N2 MEMBRANE FORCE PLOT
TIME: 3600.15 sec
- Membrane Force
+ Membrane Force
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Weryfikacja modelu numerycznego
SAFIR w oparciu o badanie FICEB
(3/3)
Porównanie doświadczanych i numerycznych wartości przemieszczeń pionowych
21 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Efekt ciągłości na brzegu stropu
CORNER
CORNER
9 m
9 m
9 m 9 m
S2 S1
S3 S4
Warunki zamocowania
S2 S1
S3 S4
• Wniosek
– Znacznie ważniejsze są przewidywane ugięcia w narożniku
siatki z 2 ciągłymi krawędziami niż w pozostałych 3 polach
siatki z 3 lub 4 ciągłymi krawędziami.
Model ANSYS Siatka konstrukcyjna rzeczywistego budynku
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
22 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Wyniki analizy parametrycznej (1/4)
Unsafe
Safe
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SD
M lim
it [
mm
]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Przy mechanicznym połączeniu stropu ze
słupami w zaawansowanych obliczeniach
• Porównanie ugięcia obliczonego MES z maksymalnym
dopuszczalnym ugięciem obliczonym według SDM
(uproszczona metoda projektowania)
Og
ran
icze
nie
SD
M [
mm
]
Zaawansowany model numeryczny [mm]
Bezpiecznie
Nie
be
zp
ieczn
ie
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
23 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Bez mechanicznego połączenia stropu ze
słupami w zaawansowanych obliczeniach
• Porównanie ugięcia obliczonego MES z maksymalnym
dopuszczalnym ugięciem obliczonym według SDM
(uproszczona metoda projektowania)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SD
M lim
it [
mm
]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Unsafe
Safe
10%
Bezpiecznie
Nie
be
zp
ieczn
ie
Og
ran
icze
nie
SD
M [
mm
]
Zaawansowany model numeryczny [mm]
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Wyniki analizy parametrycznej (2/4)
24 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
• Porównanie czasu, gdy ugięcie obliczone MES osiąga
rozpiętość/30 przy odporności ogniowej obliczonej według
SDM (uproszczona metoda projektowania)
1
2
3
0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5
R 30
R 60
R 90
R 120
9m x 9m6m x 6m 6m x 9m 6m x 12m 9m x 12m
t Sp
an
/30
/ t F
ire R
es
ista
nce
9m x 15m7.5m x 15m
• Wniosek
– Kryterium rozpiętość/30 nie jest osiągane w obliczeniach
MES dla wszystkich okresów odporności ogniowej
wyznaczonych przy pomocy SDM
t rozp
iętość
/30
/ tod
pornoś
ć og
niow
a
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Wyniki analizy parametrycznej (3/4)
25 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
0%
1%
2%
3%
4%
5%
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5
R 30 R 60 R 90 R 120
9m x 12m6m x 12m9m x 9m6m x 9m6m x 6m 7.5m x 15m 9m x 15m
Ma
ks.
po
zio
m o
dkszta
łceń
w s
tali
zb
roje
nio
we
j
• Wydłużalność prętów zbrojeniowych
• Wniosek
– Wydłużalność stali zbrojeniowej 5 % = Minimum
dopuszczalnej wydłużalności zgodnie z EC4-1-2.
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
Wyniki analizy parametrycznej (4/4)
26 Numeryczne sprawdzenie uproszczonej metody projektowania
Wnioski
• 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 stalowo-
betonowego poddanego oddziaływaniu pożaru
standardowego.
Cele
Właściwości analizy
parametrycznej
Analiza Metodą
Elementów
Skończonych
Walidacja modelu
numerycznego
Efekt warunków
brzegowych
Wyniki analizy
parametrycznej
Wnioski
top related