Obliczanie odporności ogniowej konstrukcji stalowych na podstawie euronomogramów

Calculating fire resistance of steel structures based on Euro-Nomograms
prof. dr hab. inż. Antoni Biegus  |  IZOLACJE 4/2013  |  06.05.2014  |  1
Fot. 1. Widok dachu hali produkcyjno-magazynowej po pożarze / Calculating fire resistance of steel structures based on Euro-Nomograms
Fot. 1. Widok dachu hali produkcyjno-magazynowej po pożarze / Calculating fire resistance of steel structures based on Euro-Nomograms
Archiwum autora
Ciąg dalszy artykułu...

Ocena metodą nośności na podstawie euronomogramów

Zgodnie z normą PN-EN 1993-1-2:2007 [5] metoda nośności oceny bezpieczeństwa pożarowego polega na obliczeniu wytrzymałości elementu stalowego w podwyższonej temperaturze Rfi,d,t po upływie wymaganego czasu ognioodporności t i porównaniu jej z efektem oddziaływań na konstrukcję w warunkach pożaru Efi,d. Ocenę odporności ogniowej konstrukcji stalowej metodą nośności sprawdza się według wzoru (3).
Zastosowana w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5] metoda nośności jest kompatybilna z zasadami obliczania nośności konstrukcji stalowych w warunkach normalnej temperatury według normy PN­‑EN 1993-1-1:2006 [9]. Umożliwia ocenę wytrzymałości elementów rozciąganych, ściskanych (z warunku wyboczenia) lub/i zginanych (z warunku zwichrzenia).

Procedury określenia nośności prętów z warunku utraty stateczności ogólnej elementów stalowych w czasie pożaru Rb,fi,d,t (ściskanych N Rb,fi,d,t lub zginanych Mb,fi,d,t) według normy PN-EN 1993­‑1­‑2:2007 [5] różnią się w niektórych aspektach od algorytmów stosowanych do obliczania nośności elementów Rb,d w normalnej temperaturze według normy PN-EN 1993-1-1:2006 [9]. Dotyczy to m.in. przyjmowania wielokrotnych krzywych niestateczności ogólnej, a wynika z konieczności uwzględnienia zmian granicy plastyczności fy,θ oraz modułu sprężystości podłużnej Eθ w podwyższonych temperaturach, które bezpośrednio decydują o nośności z warunku utraty stateczności ogólnej.

W procedurze określenia nośności na wyboczenie lub zwichrzenie prętów stalowych w warunkach pożaru można wyróżnić cztery kroki obliczeniowe:

  • wyznaczenie smukłości względnej niestateczności ogólnej w warunkach pożaru (wyboczenia λθ lub zwichrzenia λLT,θ),
  • obliczenie parametru imperfekcji α jako funkcji granicy plastyczności stali ky,θ,
  • określenie współczynnika niestateczności ogólnej (wyboczenia χfi lub zwichrzenia χLT,fi),
  • obliczenie nośności elementu stalowego w trakcie pożaru na wyboczenie Nb,fi,t,Rd lub na zwichrzenie Mb,fi,t,Rd.

Smukłości względne wyboczenia λθ lub zwichrzenia λLT,θ w warunkach pożaru zależą od temperatury, ponieważ są funkcją współczynników redukcyjnych granicy proporcjonalności, granicy plastyczności ky,θ oraz modułu sprężystości podłużnej stali kE,θ. Z tego powodu temperaturę krytyczną odpowiadającą danemu poziomowi efektu oddziaływań Nfi,Ed lub Mfi,Ed oblicza się iteracyjnie (powtarza się wymienione cztery kroki obliczeniowe). Na ogół do osiągnięcia zadowalającej zbieżności obliczeń wystarcza druga lub trzecia iteracja (proces iteracyjny jest szybkozbieżny). Iterację powtarza się do uzyskania tej samej wartości współczynnika redukcyjnego granicy plastyczności stali ky,θ w dwóch kolejnych iteracjach. Wówczas przyjmuje się, że temperatura θa wyznaczona w ostatniej iteracji jest temperaturą krytyczną θa,cr.

Przedstawiony iteracyjny sposób oceny nośności prętów stalowych z warunku utraty stateczności ogólnej (wyboczenia i ­zwichrzenia) według postanowień normy PN-EN 1993­‑1­‑2 [5] można usprawnić dzięki zastosowaniu nomogramów ze strony internetowej jednego z producentów stali [12, 14, 15].

Krzywe niestateczności ogólnej χfi i χLT,fi w warunkach pożaru zależą od temperatury stali θa,t, jej granicy plastyczności (są funkcją współczynnika redukcyjnego ky,θ) i modułu sprężystości podłużnej (są funkcją współczynnika redukcyjnego kE,θ) oraz parametru imperfekcji α, co pokazano na rys. 5–6.

Na rys. 5 pokazano krzywe niestateczności ogólnej χfi (wyboczenia) oraz χfi (zwichrzenia) elementów ze stali S235, S275, S355, S420 i S460 w temp. 500°C w funkcji smukłości względnej λ. Rysunek ten ilustruje wpływ wartości granicy plastyczności na wartość współczynnika niestateczności ogólnej. Z kolei na rys. 6 pokazano krzywe niestateczności ogólnej χfi(wyboczenia) oraz χfi (zwichrzenia) elementów ze stali S355 w temp. 300°C, 400°C, 500°C i 600°C w funkcji smukłości względnej λ. Rysunek przedstawia wpływ wzrostu temperatury na redukcję krzywych niestateczności ogólnej. Z analizy wykresów wynika, że krzywe wyboczeniowe w warunkach pożaru są zredukowane w stosunku do krzywych niestateczności w temperaturze normalnej. Ponadto wzrost temperatury stali powoduje wzrost redukcji wartości współczynnika wyboczeniowego.

Współczynniki niestateczności ogólnej (wyboczenia χfi i zwichrzenia χLT,fi) elementów ze stali S235, S275, S355, S420 i S460 w podwyższonych temperaturach θa,t można wyznaczyć na podstawie tablic podanych na stronie internetowej producenta stali [12].

Uproszenie iteracyjnego sposobu oceny nośności słupów w warunkach pożaru zaproponowano w SD0010a-EN-EU [14] (na podstawie wyników projektu badawczego Europejskiej Konwencji Konstrukcji Stalowych (ECSC) [15]). Podano tabele zależności między granicznymi nieprężeniami ściskającymi fy,θ,λ smukłością pręta λ i temperaturą stali θa,t. Dane te służą do obliczania odporności ogniowej słupów stalowych nieizolowanych obciążonych osiowo i równomiernie nagrzanych. Obliczeniową nośność na wyboczenie Nb,fi,t,Rd elementów o przekrojach klasy 1, 2 lub 3 oraz o równomiernym rozkładzie temperatury stali θa,t określa się ze wzoru:



gdzie:
χfi – współczynnik wyboczenia giętego w sytuacji pożarowej,
A – pole przekroju elementu ściskanego,
ky,θ – współczynnik redukcyjny granicy plastyczności stali,
fy – granica plastyczności stali,
fy,θ,λ – graniczne naprężenia ściskające w warunkach pożaru, opisane zależnością:

Wartości granicznych naprężeń ściskających w warunkach pożaru fy,θ,λ stali S235, S275, S355 i S460 podano w „Limiting compressive stresses for the design fire resistance of steel columns” [14]. W tabeli 5 przedstawiono przykładowe graniczne naprężenia ściskające fy,θ,λ dla stali S235 [14]. Zależą one od analizowanej temperatury stali θa,t i smukłości względnej λ w temperaturze normalnej (20°C). Smukłość względną λ w temp. 20°C należy przyjmować w sposób podany w normie PN-EN 1993-1-1:2006 [9]. Długości wyboczeniowe słupów le określa się jak przy projektowaniu elementów w normalnej temperaturze, z wyjątkiem słupów ciągłych w stężonych układach ramowych. Wówczas należy przyjąć długość wyboczeniową:

  • le = 0,5L – w odniesieniu do słupów kondygnacji pośrednich,
  • le = 0,7L – w odniesieniu do słupów kondygnacji najwyższej,

gdzie:
L – długość teoretyczna słupa rozpatrywanej kondygnacji.

Na podstawie smukłości względnej λ oraz wartości temperatury założonej w warunkach pożaru θa,t można wyznaczyć graniczne naprężenia ściskające fy,θ,λ (na podstawie tablic [14]), a następnie ze wzoru (11) określić obliczeniową nośność pręta stalowego na wyboczenie Nb,fi,t,Rd.

PODSUMOWANIE

W celu spełnienia wymagań ognioodporności konstrukcji stalowych najczęściej stosuje się tradycyjną metodę projektowania. Ogranicza się ona do prostego wyboru kosztownych zabezpieczeń ognioizolujących. Nie przeprowadza się wówczas żadnych obliczeń oceniających zachowanie się konstrukcji podczas pożaru. Nie uwzględnia się np. swobody odkształceń termicznych i stopnia „skrępowania” konstrukcji stalowej, które mogą być przyczyną destrukcji, awarii lub katastrofy obiektu.

Obiektywną ocenę ognioodporności można uzyskać na podstawie analizy termiczno-statyczno-wytrzymałościowej konstrukcji, według metody opartej na właściwościach. Metoda ta daje możliwość wyboru rozwiązań technicznych i uwzględnia intensywność oddziaływania pożaru. Na podstawie uzyskanych pól temperatury w elementach i kombinacji oddziaływań można ocenić zachowanie konstrukcji podczas pożaru.

Zaproponowane w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5] relatywnie proste modele obliczeniowe metody nośności i metody temperatury krytycznej umożliwiają weryfikację nośności ogniowej konstrukcji. Ich procedury obliczeniowe można znacznie uprościć dzięki wykorzystaniu euronomogramów [10–15] dotyczących analizy elementu (według modelu 1D). Wówczas w obliczeniach pomija się siły wewnętrzne wywołane wymuszonymi lub ograniczonymi wydłużeniami, a także deformacjami. Taką analizę można stosować w ocenie nośności w warunkach pożaru „wyizolowanych” elementów stalowych rozciąganych, ściskanych (na wyboczenie) lub/i zginanych (na zwichrzenie).

Termiczno-statyczno-wytrzymałościowa analiza całej konstrukcji (według modelu 3D) lub jej podzespołów (według modelu 2D) bierze pod uwagę łącznie co najmniej kilka elementów, tak aby bezpośrednio uwzględnić wpływ interakcji między nimi. Umożliwia znacznie lepsze zrozumienie ogólnego zachowania konstrukcji w warunkach pożaru. Wymaga jednak stosowania zaawansowanych modeli obliczeniowych przeprowadzanych metodą elementów skończonych (MES) za pomocą programów komputerowych.

LITERATURA

  1. A. Biegus, „Czynne i bierne zabezpieczenia ogniochronne konstrukcji stalowych”, „Izolacje”, nr 3/2013, s. 38–48.
  2. A. Biegus, „Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według eurokodów”, „Izolacje”, nr 2/2013, s. 20–28.
  3. A. Biegus, „Pożarowe uszkodzenie i naprawa hali”, [w:] materiały XXVI Konferencji Naukowo-Technicznej „Awarie budowlane”, Międzyzdroje, 21–24 maja 2013 [publikacja w przygotowaniu do druku].
  4. PN-EN 1991-1-2:2006, „Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1–2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru”.
  5. PN-EN 1993-1-2:2007, „Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1–2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe”.
  6. J.M. Franssen, R. Zaharia, „Design of Steel Structures Subjected to Fire. Background and Design Guide to Eurocode 3”, Les Editions Universite de Liege, Liege 2005.
  7. M. Giżejowski, P. Król, „Projektowanie stalowych elementów rozciąganych, ściskanych i zginanych z uwagi na warunku pożarowe według PN-EN 1993-1-2”, „Inżynieria i Budownictwo”, nr 9/2008, s. 485–495.
  8. M. Maślak, „Budownictwo ogólne”, t. 5, cz. 10: „Odporność ogniowa. Nośność konstrukcji w warunkach pożaru”, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2010.
  9. PN-EN 1993-1-1:2006, „Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1–1: Reguły ogólne i reguły dla budynków”.
  10. SD004a-EN-EU, „Nomogram for unprotected members”, strona internetowa:
    www.steel-access.com.
  11. SD005a-EN-EU, „Nomogram for protected members”, strona internetowa:
    www.steel-access.com.
  12. SD008a-EN-EU, „Buckling factors at elevated temperature”, strona internetowa: www.steel-access.com.
  13. SD009a-EN-EU, „Critical temperatures for the design fire resistance of steel beams and members in tension”, strona internetowa: www.steel-access.com.
  14. SD0010a-EN-EU, „Limiting compressive stresses for the design fire resistance of steel columns”, strona internetowa: www.steel-access.com.
  15. ECSC project: „Buckling curves of hot rolled H sections submitted to fire”;
    C No. 7210-SA/316/515/618/931.
  16. Strona internetowa: www.arcelormittal.com.
Abstrakt

W artykule zwrócono uwagę na potrzebę uwzględniania w analizie bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji stalowych sił wewnętrznych wywołanych wymuszonymi lub ograniczonymi wydłużeniami, a także deformacjami. Przedstawiono proste sposoby analizy termicznej elementów stalowych bez izolacji ognioochronnej oraz z izolacją ogniochronną. Podano praktyczne aspekty oceny ognioodporności konstrukcji stalowych metodą nośności oraz metodą temperatury krytycznej z wykorzystaniem euronomogramów.

The article takes notice of the need to take into account internal forces, which are caused by imposed or limited extensions and deformations, in fire safety analysis of steel structures. It presents simple ways of conducting a thermal analysis of steel elements with and without fire protective insulation. It also names four practical aspects of assessing fire resistance of steel structures through the application of loading-bearing capacity method and critical temperature method, while taking Euro-Nomograms into account.

 

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 4/2013

Komentarze

(1)
vd | 27.09.2014, 19:40
Dachy
   1 / 1   

Wybrane dla Ciebie


Najlepszy system stropowy?


Betonowe stropy można produkować na różne sposoby – z betonu przygotowanego na placu budowy lub w fabryce, gdzie panują kutemu optymalne warunki. ZOBACZ »



Odkryj nowy wymiar bezpieczeństwa dla Twojego domu »

Żaluzje ceramiczne, szklane, wentylowane. Co wybrać?

Każdemu z nas zależy na zapewnieniu odpowiedniego bezpieczeństwa swoim bliskim i miejscu, które jest dla nas najważniejsze. Wybór...
czytaj dalej »

Które rozwiązanie sprawdzi się w Twoim przypadku? Jak ochronić wnętrze przed słońcem, hałasem lub zimnem? czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Izolacja natryskowa - co warto wiedzieć?

Dobierz najlepszy materiał izolacyjny »

Produkty polimocznikowe można stosować wszędzie tam, gdzie wymagana jest... czytaj dalej » Niski poziom ochrony cieplnej generuje wysokie koszty utrzymania budynku, stanowiące duże obciążenie budżetu... czytaj dalej »

Uszczelnianie trudnych powierzchni! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Doszczelniając przegrodę od strony wewnętrznej budynku ograniczamy przenikanie pary wodnej do warstwy izolacyjnej, natomiast... ZOBACZ »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Jak wykonać trwałe posadzki?

Jakich technologii oraz materiałów użyć do wykonania podłóg przemysłowych, naprawy betonów lub przeprowadzenia renowacji posadzek?  czytaj dalej »


Dlaczego hydroizolacja budynków jest tak ważna?

Sprawdzony sposób na przyspieszenie ocieplenia »

W budynkach nowo wznoszonych barierę dla wody gruntowej stanowi hydroizolacja zewnętrzna ścian piwnic i izolacja pod płytą fundamentową... czytaj dalej » Jakiego produktu użyć, by aplikacja była łatwa, efektywność większa, a tempo pracy ekspresowe? czytaj dalej »

Czego użyć do izolacji podłóg, dachów i fasad?


Istotną różnicą pomiędzy styropianami białymi i grafitowymi jest ich odporność na ZOBACZ »


Najlepszy produkt na tynku termoizolacji? Sprawdź »

Jak dobrać posadzkę do obiektu?

Obniżona wartość λ pozwala zmniejszyć straty energetyczne oraz wydatki na eksploatacje budynków.
czytaj dalej »

Wybierz posadzkę, która będzie funkcjonalna i łatwa w czyszczeniu... czytaj dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Triflex Polska Triflex Polska
Triflex zyskał na rynku europejskim pozycję lidera w zakresie opracowywania, kompleksowego doradztwa oraz zastosowania uszczelnień i powłok...
9/2019

Aktualny numer:

Izolacje 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Nowoczesne rozwiązania elewacyjne
  • - Jakość wykonania izolacji z szarego styropianu
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.