Transcript Beteende hos samverkansbjälklag med stål och betong utsatta för

Beteende hos samverkansbjälklag med stål och betong
utsatta för brand
Numerisk parametrisk undersökning av den enkla
dimensioneringsmetoden
Presentationens innehåll
•
•
•
•
•
•
•
Mål med den parametriska studien
Egenskaper och randvillkor för den parametriska studien
Finit elementanalys
Validering av den numeriska modellen
Effekter av kontinuitet vid plattans ränder
Resultat från den parametriska studien
Slutsatser
Numerical parametric investigation of simple design method
2
Mål med den parametriska studien
Mål
Egenskaper och
•
Bakgrund
– FRACOF (Försök 1)- COSSFIRE (Försök 2) fullskaligt
standardiserat brandförsök
• Samverkansbjälklaget har utmärkta brandegenskaper
(utnyttjande av membranverkan)
• Max  i stål  1000 °C, brandvaraktighet 120 min
• Franska konstruktionsdetaljer
• Nedböjning  450 mm
– FICEB (Försök 3) fullskaligt naturligt brandförsök med
balkar med hål i liven
•
Mål
– Kontroll av den enkla dimensioneringsmetodens
tillämpning genom jämförelse med avancerade
beräkningsmetoder
• Plattans nedböjning
• Töjning i armering
randvillkor
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Numerical parametric investigation of simple design method
3
Egenskaper och randvillkor (1/3)
Mål
Egenskaper och
randvillkor
• Elementindelning av bjälklag
Oskyddade mellanliggandebalkar
Skyddade sekundärbalkar
Finit elementanalys
Primärbalkar
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
6mx6m
6mx9m
9mx9m
6 m x 12 m
9 m x 12 m
7,5 m x 15 m
9 m x 15 m
• Belastningsnivåer
Lastkombination för blandlastfallet för kontorsbyggnader
enligt EC0:
G (Död last) + 0.5 Q (nyttig last)
G= egentyngd+ 1.25 kN/m²
Q= 2.5 & 5 kN/m²
Numerical parametric investigation of simple design method
4
Egenskaper och randvillkor (2/3)
Mål
Egenskaper och
• Koppling mellan golv och stålpelare
randvillkor
Finit elementanalys
Betongplatta
Betongplatta
Validering av den
numeriska modellen
Bjälklag
Effekter av
Bjälklag
kontinuitet
Resultat
Pelare
Balk
Svetsbult
Slutsatser
Pelare
Balk
Svetsbult
Med mekanisk koppling
mellan platta och pelare
Utan mekanisk koppling
mellan platta och pelare
Numerical parametric investigation of simple design method
5
Egenskaper och randvillkor (3/3)
Mål
Egenskaper och
• Brandklass: R30, R60, R90 and R120
randvillkor
1200
R120
Finit elementanalys
1000
R30
Validering av den
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Uppvärmning av balkar
vid ränderna (max 550°C)
800
Temperatur [°C]
numeriska modellen
R90
R60
600
400
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Tid [min]
Numerical parametric investigation of simple design method
6
Finit elementmodell
Mål
•
Egenskaper och
Hybridmodell baserad på flera olika varianter av finita
element enligt ANSYS
randvillkor
Finit
SHELL91 (6 DOF flera skikt):
solida delen av betongplattan
elementanalys
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
BEAM24 :
stålpelare
Resultat
Slutsatser
PIPE16 (6 DOF enaxligt element):
koppling mellan stålbalkar och
betongplattan
Numerical parametric investigation of simple design method
Balk24 : stålbalk,
samverkansplåt och
betongbalk
7
Finit elementmodell
Mål
•
Egenskaper och
Hybridmodell baserad på flera olika varianter av finita
element enligt SAFIR
randvillkor
Skalelement
Finit
elementanalys
Balkelement
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Numerical parametric investigation of simple design method
8
Bjälklagets egenskaper
Mål
Egenskaper och
randvillkor
Finit
elementanalys
•
•
•
•
•
S235 balk
COFRAPLUS60 trapetsformad samverkansplåt (t = 0,75 mm)
Normalbetong C30/37
S500 armeringsnät
Nät placering från överkant betong = 45 mm
Validering av den
numeriska modellen
kontinuitet
Resultat
58 mm
Effekter av
101
107 mm
mm
120 mm (R30)
130 mm (R60)
140 mm (R90)
150 mm (R120)
62 mm
Slutsatser
Numerical parametric investigation of simple design method
9
Termomekaniska egenskaper (1/2)
Mål
Egenskaper och
randvillkor
Finit
•
Stålets termomekaniska egenskaper :
– Termiska egenskaper enligt EC4-1.2
– Densiteten oberoende av temperaturen (ρa = 7850 kg/m3)
– Spännings-töjningssamband:
elementanalys
260
Resultat
200 °C
200
Spänning [MPa]
kontinuitet
100 °C
220
numeriska modellen
Effekter av
20 °C
240
Validering av den
300 °C
180
400 °C
160
500 °C
140
600 °C
120
700 °C
100
800 °C
80
900 °C
60
1000 °C
40
Slutsatser
1100 °C
20
1200 °C
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Töjning [%]
Numerical parametric investigation of simple design method
10
Termomekaniska egenskaper (2/2)
Mål
Egenskaper och
randvillkor
Finit
elementanalys
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
•
Betongens termomekaniska egenskaper :
–
–
–
–
Termiska egenskaper enligt EC4-1.2
Densiteten varierar som funktion av temperaturen enligt EC4-1.2
Drucker-Prager flytkriterium
Reduktionsfaktorer för tryckspänning enligt EC4-1.2:
1,2
1.2
11
0,8
0.8
0,6
0.6
0,4
0.4
0,2
0.2
Slutsatser
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Temperatur [ °C]
Numerical parametric investigation of simple design method
11
Validering av FE-modell med ANSYS
mot försök 1 (1/2)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys)
Egenskaper och
randvillkor
C
B
A
Finit elementanalys
C
B
A
Validering av den
numeriska
modellen
Oskyddade stålbalkar
Skyddade sekundärbalkar
Effekter av
kontinuitet
E
C
B
A
D
F
B
C
A
Resultat
Slutsatser
Skyddade primärbalkar
Numerical parametric investigation of simple design method
Samverkansbjälklag
12
Validering av FE-modell med ANSYS
mot försök 1 (2/2)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (nedböjning)
Egenskaper och
randvillkor
Simulerade deformationer
i plattan efter försök
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
500
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Displacement (mm)
modellen
Test
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)
Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar
Numerical parametric investigation of simple design method
13
Validering av FE-modell med SAFIR
mot försök 1 (1/2)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys)
Egenskaper och
randvillkor
C
B
A
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
modellen
Oskyddade stålbalkar
Effekter av
kontinuitet
Resultat
E
D
Slutsatser
F
B
C
A
Samverkansbjälklag
Numerical parametric investigation of simple design method
14
Validering av FE-modell med ANSYS
mot försök 1 (2/2)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (nedböjning)
Egenskaper och
randvillkor
Simulerade spänningar i plattan vid slutet av
försöket
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar
Numerical parametric investigation of simple design method
15
Validering av FE-modell med SAFIR
mot försök 2 (1/2)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys)
Egenskaper och
randvillkor
C
B
A
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
E
modellen
D
Oskyddade stålbalkar
F
B
C
A
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Samverkansbjälklag
Numerical parametric investigation of simple design method
16
Validering av FE-modell med ANSYS
mot försök 2 (2/2)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys)
Egenskaper och
randvillkor
Simulerat spänningar i plattan vid slutet av
försöket
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar
Numerical parametric investigation of simple design method
17
Validering av FE-modell med SAFIR
mot försök 3 (1/3)
Mål
•
Jämförelse med brandförsök (värmeledningsanalys)
Egenskaper och
randvillkor
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
modellen
Oskyddade stålbalkar
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Samverkansbjälklag
Numerical parametric investigation of simple design method
18
Validering av FE-modell med SAFIR
mot försök 3 (2/3)
Mål
•
Hybridmodellen tar hänsyn till livbuckling med skalelement
Egenskaper och
1,0
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska
modellen
Reduction factors (x 1E-3)
randvillkor
kay,θ
0,8
0,6
kEa,θ
0,4
kap,θ
0,2
0,0
0
200
400
600
800
1 000
1 200
Temperature ( C)
1
Effekter av
kay,θ
kontinuitet
Slutsatser
Reduction factors
Resultat
0,8
kEa,θ
0,6
0,4
kap,θ
0,2
0
0
200
400
600
800
1 000
1 200
Temperature ( C)
Numerical parametric investigation of simple design method
19
Validering av FE-modell med ANSYS
mot försök 3 (3/3)
Mål
•
Diamond 2009.a.4 for SAFIR
jämförelse med brandförsök (nedböjning)
FILE: UlsterH1
NODES: 2031
BEAMS: 260
TRUSSES: 0
SHELLS: 1664
SOILS: 0
F0
F0
Egenskaper och
F0
IMPOSED DOF PLOT
N1-N2 MEMBRANE FORCE PLOT
F0
F0
TIME: 3600.15 sec
- Membrane Force
+ Membrane Force
randvillkor
F0
F0
F0
F0
F0
Simulerade spänningar i plattan vid slutet av
försöket
F0
Finit elementanalys
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
F0
Validering av den
F0
F0
F0
numeriska
Z
F0
F0
F0
F0
F0
modellen
X
Y
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Jämförelse av nedböjningar i platta och balkar
Numerical parametric investigation of simple design method
20
Effekter av kontinuitet
Mål
Randvillkor
Egenskaper och
randvillkor
Finit elementanalys
S1
S2
S1
S2
S3
S4
9m
Validering av den
numeriska modellen
S3
Effekter av
kontinuitet
9m
Resultat
Slutsatser
C
O
H
R
S4Ö
N
R
E
N
R
9m
9m
Del av bärverk i en riktig byggnad
•
Modell med ANSYS
Slutsats
– De viktigaste simulerade nedböjningarna i hörndelen (S4)
med 2 kontinuerliga ränder än i delarna S1-S3 med 3 eller 4
kontinuerliga ränder
Numerical parametric investigation of simple design method
21
Resultat (1/4)
Mål
randvillkor
•
Jämförelse mellan nedböjning enligt FEA och den
maximalt tillåtna nedböjningen enligt den enkla
dimensioneringsmetoden (SDM)
SÄKER
Finit elementanalys
1000
OSÄKER
Egenskaper och
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Kriterium enligt SDM [mm]
900
800
700
600
500
400
300
200
R 30
R 60
R 90
R 120
100
Slutsatser
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Avancerad numerisk modell [mm]
Med mekanisk koppling mellan plattan och
pelaren vid avancerade beräkningar
Numerical parametric investigation of simple design method
22
Resultat (2/4)
Mål
Egenskaper och
randvillkor
•
Jämförelse mellan nedböjning enligt FEA och den
maximalt tillåtna nedböjningen enligt den enkla
dimensioneringsmetoden (SDM)
1000
10%
900
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Kriterium enligt SDM [mm]
Validering av den
800
700
OSÄKERT
SÄKERT
Finit elementanalys
600
500
400
300
200
R 30
R 60
R 90
R 120
100
Slutsatser
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Avancerad numerisk modell [mm]
Utan mekanisk koppling mellan plattan
och pelarna vid avancerade beräkningar
Numerical parametric investigation of simple design method
23
Resultat (3/4)
Mål
Egenskaper och
•
randvillkor
Jämförelse mellan tiden när nedböjningarna enligt FEA når
spännvidd/30 och brandmotstånd enligt den enkla
dimensioneringsmetoden (SDM)
Finit elementanalys
6m x 6m
6m x 9m
9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m
3
Validering av den
tSpan/30 / tFire Resistance
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
R 30
R 60
R 90
2
R 120
1
Slutsatser
0,5
•
2,5
4,5
6,5
8,5
10,5
12,5
14,5
Slutsats
– Kravet spännvidd/30 överskrids inte med FEA under
beräknad brandmotståndstid enligt SDM
Numerical parametric investigation of simple design method
24
Resultat (4/4)
Mål
•
Töjning i armeringsjärn
Egenskaper och
randvillkor
0,5
6m x 6m 1,5 6m x 9m
2,5
9m x 9m
3,5
6m x 12m4,5 9m x 12m5,57.5m x 15m6,59m x 15m7,5
5%
Max. Töjning i armering
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
4%
3%
2%
1%
R 30
Resultat
R 60
R 90
R 120
0%
Slutsatser
•
Slutsatser
– Töjning j armeringsjärn  5 % = Min. tillåten töjningskapacitet
enligt EC4-1.2.
Numerical parametric investigation of simple design method
25
Slutsatser
Mål
Egenskaper och
•
Den enkla dimensioneringsmetoden ger resultat på säker sida
jämfört med resultat från avancerade beräkningar
•
Töjningen av armeringsnätet ligger generellt under 5 %
•
Mekaniska kopplingar mellan platta och pelare kan reducera
samverkansbjälklagets nedböjning vid brand, men dessa är
inte nödvändiga konstruktionsdetaljer
•
Den enkla dimensioneringsmetoden kan på säker sida
förutsäga hur samverkansbjälklag av stål och betong
beter sig under en standardiserad brand
randvillkor
Finit elementanalys
Validering av den
numeriska modellen
Effekter av
kontinuitet
Resultat
Slutsatser
Numerical parametric investigation of simple design method
26