MACS+ numerical simulation rev01 NL · 11.05.2012 · 05-11-12 3 Numerieke parameterstudie van de...
5
05-11-12 1 Gedrag bij brand van staal-beton vloersystemen Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode 2 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode • Doelen van de parameterstudie • Eigenschappen parameterstudie • Eindige Elementen Analyse • Validatie van het numerieke model • Effect van continuïteit bij de grens van het plaatveld • Resultaten parameterstudie • Conclusie Inhoud van de presentatie 3 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode Doelen parameterstudie Doelen Eigenschappen parameterstudie Eindige elementen analyse Validatie van het numerieke model Effect van de randcondities Resultaten parameterstudie Conclusie • Achtergrond – FRACOF (Test 1) - COSSFIRE (Test 2) standaardbrand proeven op grote schaal • Excellente prestatie van staal-beton vloersystemen bij brand (optreden van trek-membraanwerking) • Maximale θ staal ≈ 1000 °C, brandduur > 120 min • Franse constructiedetails • Doorbuiging ≈ 450 mm – FICEB (Test 3) natuurlijke brandproef op grote schaal met liggers met ronde gaten • Doel – Verificatie van de eenvoudige ontwerpmethode voor het volledige toepassingsgebied (met behulp van geavanceerde berekeningsmodellen) • Doorbuigingslimiet voor de vloer • Rek van het wapeningsstaal 4 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode 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 Primaire liggers Beschermde secundaire liggers Onbeschermde tussenliggers 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m • Vloerstramienen Eigenschappen parameterstudie (1/3) Volgens EN 1990 belastingcombinatie in buitengewone situatie (brand) voor kantoorgebouwen: G (eigen gewicht) + 0,5 Q (veranderlijke belasting) G= eigen gewicht + 1,25 kN/m² Q= 2,5 & 5 kN/m² • Belastingniveau Doelen Eigenschappen parameterstudie Eindige elementen analyse Validatie van het numerieke model Effect van de randcondities Resultaten parameterstudie Conclusie 5 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode • Randconditie tussen vloer en stalen kolommen Eigenschappen parameterstudie (2/3) Vloerpaneel Vloerpaneel Kolom Kolom Met mechanische link tussen vloer en kolommen Zonder mechanische link tussen vloer en kolommen Ligger Stiftdeuvel Ligger Stiftdeuvel Betonplaat Betonplaat Doelen Eigenschappen parameterstudie Eindige elementen analyse Validatie van het numerieke model Effect van de randcondities Resultaten parameterstudie Conclusie 6 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode • Brandwerendheid : R30, R60, R90 en R120 Eigenschappen parameterstudie (3/3) 0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Temperature[°C] Time [min] R30 R120 R90 R60 Opwarming van de randliggers (max. 550 °C) Doelen Eigenschappen parameterstudie Eindige elementen analyse Validatie van het numerieke model Effect van de randcondities Resultaten parameterstudie Conclusie
Transcript of MACS+ numerical simulation rev01 NL · 11.05.2012 · 05-11-12 3 Numerieke parameterstudie van de...
05-11-12
1
Gedrag bij brand van staal-beton vloersystemen Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
2 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
• Doelen van de parameterstudie • Eigenschappen parameterstudie • Eindige Elementen Analyse • Validatie van het numerieke model • Effect van continuïteit bij de grens van het plaatveld • Resultaten parameterstudie • Conclusie
Inhoud van de presentatie
3 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Doelen parameterstudie
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
• Achtergrond – FRACOF (Test 1) - COSSFIRE (Test 2) standaardbrand
proeven op grote schaal • Excellente prestatie van staal-beton vloersystemen
bij brand (optreden van trek-membraanwerking) • Maximale θstaal ≈ 1000 °C, brandduur > 120 min • Franse constructiedetails • Doorbuiging ≈ 450 mm
– FICEB (Test 3) natuurlijke brandproef op grote schaal met liggers met ronde gaten
• Doel – Verificatie van de eenvoudige ontwerpmethode voor
het volledige toepassingsgebied (met behulp van geavanceerde berekeningsmodellen)
• Doorbuigingslimiet voor de vloer • Rek van het wapeningsstaal
4 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
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
Primaire liggers Beschermde secundaire liggers
Onbeschermde tussenliggers
7.5 m x 15 m 9 m x 15 m
• Vloerstramienen
Eigenschappen parameterstudie (1/3)
Volgens EN 1990 belastingcombinatie in buitengewone situatie (brand) voor kantoorgebouwen: G (eigen gewicht) + 0,5 Q (veranderlijke belasting) G= eigen gewicht + 1,25 kN/m² Q= 2,5 & 5 kN/m²
• Belastingniveau
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
5 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
• Randconditie tussen vloer en stalen kolommen
Eigenschappen parameterstudie (2/3)
Vloerpaneel
Vloerpaneel
Kolom Kolom
Met mechanische link tussen vloer en kolommen
Zonder mechanische link tussen vloer en kolommen
Ligger Stiftdeuvel Ligger
Stiftdeuvel
Betonplaat
Betonplaat
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
6 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
• Brandwerendheid : R30, R60, R90 en R120
Eigenschappen parameterstudie (3/3)
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Tempe
rature [°C]
Time [min]
R30
R120 R90
R60
Opwarming van de randliggers (max. 550 °C)
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
05-11-12
2
7 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Eindige elementenmodel
• Hybride model gebaseerd op verschillende typen eindige elementen met computerprogramma ANSYS
Beam24 : stalen ligger, staalplaat, en betonribbe PIPE16 (6 vrijheidsgraden 1-assig
element): verbinding tussen stalen ligger en betonplaat
BEAM24 : stalen kolom
SHELL91 (6 vrijheidsgraden meerdere lagen): vlakke deel betonplaat
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
8 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Eindige elementenmodel
• Hybride model gebaseerd op verschillende typen eindige elementen met computerprogramma SAFIR
BEAM Element
SHELL Element
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
9 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Eigenschappen vloerplaat
• Liggers staalsoort S235 • COFRAPLUS60 trapeziumvormige staalplaat (0,75 mm thick) • Normaalgewicht beton C30/37 • Wapeningsnet staalsoort S500 (FeB) • Gemiddelde positie wapeningsnet (van bovenzijde) = 45 mm
58 m
m
101 mm 107 mm
62 mm
120 mm (R30) 130 mm (R60) 140 mm (R90) 150 mm (R120)
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
10 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Thermo-mechanische eigenschappen (1/2)
• Thermo-mechanische eigenschappen staal:
– Thermische eigenschappen uit EC4-1.2 – Soortelijk gewicht onafhankelijk van temperatuur (ρa = 7850 kg/m3) – Spanning-rek relaties:
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
Stre
ss [M
Pa]
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
Rek [%]
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
11 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Thermo-mechanische eigenschappen (2/2)
• Thermo-mechanische eigenschappen beton:
– Thermische eigenschappen uit EC4-1.2 – Soortelijk gewicht als functie van temperatuur volgens EC4-1.2 – Drucker-Prager vloeicriterium – Reductiefactoren voor druk volgens EC4-1.2:
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 200 400 600 800 1000 1200
Red
uctio
n fa
ctor
Temperature [ C]
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
12 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model ANSYS met Test 1 (1/2)
• Vergelijking met brandproef (warmte-overdrachtsanalyse)
Onbeschermde stalen liggers Beschermde secundaire liggers
Beschermde primaire liggers Staalplaat-betonvloer
A B C
A B C
A B C
F B
A C D
E
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
05-11-12
3
13 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model ANSYS met Test 1 (2/2)
• Vergelijking met brandproef (doorbuiging)
Gesimuleerde uitbuigingsvorm van
de vloer na de test
Vergelijking van de doorbuiging (vloer en liggers)
0
100
200
300
400
500
0 15 30 45 60 75 90 105 120Time (min)
Dis
plac
emen
t (m
m)
Mid-span of unprotected
central secondary beams
Mid-span of protected edge
secondary beamsMid-span of protected
primary beams
Central part of the floor
Test Simulation
Mid-span of unprotected
beams
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
14 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 1 (1/2)
• Vergelijking met brandproef (warmte-overdrachtsanalyse)
A B C
F B
A C D
E
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Staalplaat-betonvloer
Onbeschermde stalen liggers
15 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 1 (2/2)
• Vergelijking met brandproef (doorbuiging) Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Vergelijking van de doorbuiging (vloer en liggers)
Gesimuleerde spanningen in de vloer aan het eind van de test
16 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 2 (1/2)
• Vergelijking met brandproef (warmte-overdrachtsanalyse)
A B C
F B
A C D
E
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Staalplaat-betonvloer
Onbeschermde stalen liggers
17 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 2 (2/2)
• Vergelijking met brandproef (doorbuiging) Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Vergelijking van de doorbuiging (vloer en liggers)
Gesimuleerde spanningen in de vloer aan het eind van de test
18 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 3 (1/3)
• Vergelijking met brandproef (warmte-overdrachtsanalyse) Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Staalplaat-betonvloer
Onbeschermde stalen liggers
05-11-12
4
19 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 3 (2/3)
• Hybride model om plooien van het lijf in rekening te brengen met het BEAM element
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 200 400 600 800 1 000 1 200
Red
uctio
n fa
ctor
s
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
Red
uctio
n fa
ctor
s (x
1E-
3)
Temperature ( C)
kEa,θ
kap,θ
kay,θ
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
20 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Validatie van het numerieke model SAFIR met Test 3 (3/3)
• Vergelijking met brandproef (doorbuiging)
Gesimuleerde spanningen in de vloer aan het eind van de test
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: UlsterH1NODES: 2031BEAMS: 260TRUSSES: 0SHELLS: 1664SOILS: 0
IMPOSED DOF PLOTN1-N2 MEMBRANE FORCE PLOT
TIME: 3600.15 sec
- Membrane Force+ Membrane Force
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Vergelijking van de doorbuiging
21 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Effect van de randcondities
CORNER
CORNER
9 m
9 m
9 m 9 m
S2 S1
S3 S4
Oplegcondities
S2 S1
S3 S4
• Conclusie – Grotere voorspelde doorbuiging in het hoekveld met 2
doorgaande randen dan in andere 3 velden met 3 of 4 doorgaande randen
Constructiestramien van een echt gebouw ANSYS model
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
22 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Resultaten parameterstudie (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
SDM
lim
it [m
m]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Met mechanische link tussen vloer en kolommen in geavanceerde berekeningen
• Vergelijking tussen de doorbuiging van de EEM met de maximum toegestane doorbuiging SDM (Eenvoudige Ontwerpmethode)
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
23 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Resultaten parameterstudie (2/4)
• Vergelijking tussen de doorbuiging van de EEM met de maximum toegestane doorbuiging SDM (Eenvoudige Ontwerpmethode)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SDM
lim
it [m
m]
Advanced numerical model [mm]
R 30 R 60 R 90 R 120
Unsafe
Safe
10%
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie Zonder mechanische link tussen vloer en kolommen in geavanceerde berekeningen
24 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Resultaten parameterstudie (3/4)
• Vergelijking tussen de tijd waarbij de doorbuiging van de EEM L/30 bereikt met de brandwerendheid volgens de SDM (Eenvoudige Ontwerpmethode)
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 Spa
n/30
/ tFi
re R
esis
tanc
e
9m x 15m7.5m x 15m
• Conclusie – L/30 criterium wordt niet bereikt in EEM gedurende de
gehele brandwerendheidsperiode voorspeld met de SDM
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
05-11-12
5
25 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
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
Max
. mec
hani
cal s
train
of r
einf
orci
ng s
teel
Resultaten parameterstudie (4/4)
• Rekapaciteit van wapeningstaven
• Conclusie – Rek van wapeningstaal < 5 % = minimale toegestane
rekcapaciteit volgens EC4-1.2.
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
26 Numerieke parameterstudie van de eenvoudige ontwerpmethode
Conclusie
• De eenvoudige ontwerpmethode is aan de veilige kant in vergelijking met resultaten van geavanceerde berekeningen.
• De rek van het wapeningsnet blijft in het algemeen lager dan 5 %.
• Mechanische verbindingen tussen vloerplaat en kolommen kunnen de doorbuiging van een staal-beton vloersysteem reduceren tijdens brand, maar zijn niet nodig als voorwaarde voor de constructieve detaillering.
• De eenvoudige ontwerpmethode is in staat het constructieve
gedrag van een staal-beton vloersysteem blootgesteld aan een standaardbrand op een veilige wijze te voorspellen.
Doelen
Eigenschappen
parameterstudie
Eindige elementen
analyse
Validatie van het
numerieke model
Effect van de
randcondities
Resultaten
parameterstudie
Conclusie
