Steel Skeleton Behaviour in Decaying Fire
Pada, Dan (2011)
Pada, Dan
2011
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2011-04-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201203281088
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201203281088
Tiivistelmä
The purpose of this licentiate thesis was to study the behaviour of a typical all steel industrial hall, the CEE-hall by Ruukki, with roof trusses exposed to fire, taking into account all the phases of the fire, focusing especially on the decay phase. Based on the results from the analyses, general rules on how to consider the decay phase in the design of the structure were sought. In order to perform the analyses it was necessary to take both material and geometrical non-linearity into account.
In order to complete the study it was necessary to use an advanced non-linear FEA-software, Vulcan, which is specially developed for studying structures exposed to fire. The utilization of this program included a short visit to the University of Sheffield, UK, where the software has been developed, in order to study its usage and possibilities. The software proved very useful and valuable throughout the whole course of the study.
Extensive testing and several analyses with different configurations were performed to develop the final analysis models. In order to simplify the model and save calculation time the final model was made up of only three of the middle frames of the CEE-hall. The parts of the building omitted from the model were considered in the boundary conditions with the help of springs. A local fire reaching a maximum gas temperature of 800 °C, situated first at mid-span and then at quarter-span, was chosen as the scenario to be studied.
The structure was able to endure the exposure to the elevated temperatures even though the top chords underwent substantial permanent deformations, which in turn led to a change in the behaviour of the structure and a redistribution of the internal forces. The structure essentially started behaving as a three-pin portal frame, relying heavily on the bottom chords being able to sustain the large compressive forces developed in them.
One of the most important observations made during the analyses was that the largest internal forces were developed in the decay phase, proving the importance of taking all the phases of the fire into account when designing a structure for the case of fire. For this type of structure exposed to local fire scenarios, this study furthermore showed that in the structural fire safety design it is necessary to consider the large compressive forces that may develop in the bottom chords normally designed for tensile forces. The study also showed the importance of considering the stiffness of the structure in the design, as it greatly influences the magnitude of the internal forces developed in the structure during the fire exposure. Tämän lisensiaatintyön tarkoituksena oli tutkia tyypillisen teräksisen kattoristikoilla varustetun teollisuushallin, Ruukin CEE-halli, käyttäytymistä palotilanteessa, ottaen huomioon kaikki palon vaiheet, keskittyen erityisesti hiipuvaan vaiheeseen. Analyysien tulosten perusteella etsittiin yleisiä sääntöjä hiipuvan vaiheen huomioon ottamiseksi suunnittelussa. Analyysia varten piti huomioida sekä materiaalin että geometrian epälineaarisuus.
Tutkielman suorittamiseksi tarvittiin edistyksellinen epälineaarinen FEA-ohjelma, Vulcan, joka on erityisesti palolle altistettujen rakenteiden tutkimiseen kehitetty ohjelma. Vulcanin käyttöön liittyi lyhyt vierailu ohjelman kehittäneeseen University of Sheffieldiin Iso-Britanniaan, jossa tutustuttiin sen käyttöön ja mahdollisuuksiin. Ohjelma osoittautui erittäin käyttökelpoiseksi ja arvokkaaksi koko tutkielman ajan.
Laajamittainen testaus ja useat analyysit eri asetuksilla suoritettiin lopullisen analyysimallin kehittämiseksi. Mallin yksinkertaistamiseksi ja laskenta-ajan säästämiseksi lopulliseen malliin sisällytettiin ainoastaan kolme CEE-hallin keskikehää. Ne rakennuksen osat, jotka jätettiin mallin ulkopuolelle, otettiin huomioon reunaehdoissa jousien avulla. Paikallinen palo, jossa kaasujen maksimilämpötila oli 800 °C ja joka sijoitettiin ensiksi jännevälin keskelle ja sitten jännevälin neljännekseen, valittiin tutkimustilanteeksi.
Rakenne kesti kohonneista lämpötiloista syntyneet rasitukset vaikka yläpaarteet kärsivät huomattavista muodonmuutoksista. Tämä aiheutti rakenteen toimintatavan muutoksen ja sisäisten voimien uudelleenjakaantumisen. Rakenne toimi itse asiassa kolminivelkehänä, turvautuen voimakkaasti alapaarteiden kykyyn kestää niissä kehittyneet suuret puristusvoimat.
Tärkeimpiä analyysien aikana tehtyjä havaintoja oli, että suurimmat sisäiset voimat kehittyivät hiipuvassa vaiheessa, mikä osoittaa palon kaikkien vaiheiden huomioon ottamisen paloturvallisuussuunnittelussa erittäin tärkeäksi. Lisaksi tutkimus osoitti suurten puristusvoimien huomioon ottamisen välttämättömyyden tämän tyyppisen paikalliselle palolle altistetun rakennuksen palotilanteen suunnittelussa, koska ne voivat kehittyä normaaliin tapaan vetovoimille mitoitetuissa alapaarteissa. Sen lisäksi tutkimus osoitti rakenteen jäykkyyden huomioon ottamisen tärkeyden suunnittelussa, koska se vaikuttaa merkittävästi palon aikana rakenteessa kehittyvien sisäisten voimien suuruuteen.
In order to complete the study it was necessary to use an advanced non-linear FEA-software, Vulcan, which is specially developed for studying structures exposed to fire. The utilization of this program included a short visit to the University of Sheffield, UK, where the software has been developed, in order to study its usage and possibilities. The software proved very useful and valuable throughout the whole course of the study.
Extensive testing and several analyses with different configurations were performed to develop the final analysis models. In order to simplify the model and save calculation time the final model was made up of only three of the middle frames of the CEE-hall. The parts of the building omitted from the model were considered in the boundary conditions with the help of springs. A local fire reaching a maximum gas temperature of 800 °C, situated first at mid-span and then at quarter-span, was chosen as the scenario to be studied.
The structure was able to endure the exposure to the elevated temperatures even though the top chords underwent substantial permanent deformations, which in turn led to a change in the behaviour of the structure and a redistribution of the internal forces. The structure essentially started behaving as a three-pin portal frame, relying heavily on the bottom chords being able to sustain the large compressive forces developed in them.
One of the most important observations made during the analyses was that the largest internal forces were developed in the decay phase, proving the importance of taking all the phases of the fire into account when designing a structure for the case of fire. For this type of structure exposed to local fire scenarios, this study furthermore showed that in the structural fire safety design it is necessary to consider the large compressive forces that may develop in the bottom chords normally designed for tensile forces. The study also showed the importance of considering the stiffness of the structure in the design, as it greatly influences the magnitude of the internal forces developed in the structure during the fire exposure.
Tutkielman suorittamiseksi tarvittiin edistyksellinen epälineaarinen FEA-ohjelma, Vulcan, joka on erityisesti palolle altistettujen rakenteiden tutkimiseen kehitetty ohjelma. Vulcanin käyttöön liittyi lyhyt vierailu ohjelman kehittäneeseen University of Sheffieldiin Iso-Britanniaan, jossa tutustuttiin sen käyttöön ja mahdollisuuksiin. Ohjelma osoittautui erittäin käyttökelpoiseksi ja arvokkaaksi koko tutkielman ajan.
Laajamittainen testaus ja useat analyysit eri asetuksilla suoritettiin lopullisen analyysimallin kehittämiseksi. Mallin yksinkertaistamiseksi ja laskenta-ajan säästämiseksi lopulliseen malliin sisällytettiin ainoastaan kolme CEE-hallin keskikehää. Ne rakennuksen osat, jotka jätettiin mallin ulkopuolelle, otettiin huomioon reunaehdoissa jousien avulla. Paikallinen palo, jossa kaasujen maksimilämpötila oli 800 °C ja joka sijoitettiin ensiksi jännevälin keskelle ja sitten jännevälin neljännekseen, valittiin tutkimustilanteeksi.
Rakenne kesti kohonneista lämpötiloista syntyneet rasitukset vaikka yläpaarteet kärsivät huomattavista muodonmuutoksista. Tämä aiheutti rakenteen toimintatavan muutoksen ja sisäisten voimien uudelleenjakaantumisen. Rakenne toimi itse asiassa kolminivelkehänä, turvautuen voimakkaasti alapaarteiden kykyyn kestää niissä kehittyneet suuret puristusvoimat.
Tärkeimpiä analyysien aikana tehtyjä havaintoja oli, että suurimmat sisäiset voimat kehittyivät hiipuvassa vaiheessa, mikä osoittaa palon kaikkien vaiheiden huomioon ottamisen paloturvallisuussuunnittelussa erittäin tärkeäksi. Lisaksi tutkimus osoitti suurten puristusvoimien huomioon ottamisen välttämättömyyden tämän tyyppisen paikalliselle palolle altistetun rakennuksen palotilanteen suunnittelussa, koska ne voivat kehittyä normaaliin tapaan vetovoimille mitoitetuissa alapaarteissa. Sen lisäksi tutkimus osoitti rakenteen jäykkyyden huomioon ottamisen tärkeyden suunnittelussa, koska se vaikuttaa merkittävästi palon aikana rakenteessa kehittyvien sisäisten voimien suuruuteen.