Az Eurocode három módszert kínál vasbeton gerendák és oszlopok tűzhatásra történő tervezésére és ellenőrzésére: "táblázatos adatok", "egyszerűsített számítási modellek" és "korszerű számítási modellek" használata.

Mivel a "táblázatos adatok" módszer alkalmazhatósága nagyon korlátozott keresztmetszet típus és kitettség viszonyok tekintetében, és a "korszerű számítási modellek" használatára vonatkozó útmutató teljesen hiányzik a szabványokból, a FEM-Design az "egyszerűsített számítási modell" módszert - nevezetesen az "500 ° C-os izoterm" és a "Zóna" módszereket - használja, mellyel bármilyen keresztmetszetre tűztervezést hajthatunk végre.

Tartalomjegyzék:


Koncepció

Annak ellenére, hogy a különböző rudakon ugyanazok a hőhatások lépnek fel, a vasbeton rudak tervezési koncepciója meglehetősen eltér az acél- és a faanyagú rudakétól. Utóbbiak esetében a tervezési folyamat célja a tűznek kitett oldalak megfelelő szigetelésének megtervezése azért, hogy a szerkezet teljesítse a teherhordás követelményeit az előírt tűzidőtartamra. Betonrudak esetében azonban ellenőriznünk kell, hogy a tűzidőtartam végén a sérült rúd még elegendő teherbírású-e, figyelembe véve a keresztmetszeti méretek és az anyagparaméterek csökkenését. Következésképpen, ellentétben az acél- és farudakkal, ahol a tervezési elem a szigetelés, a betonrudaknál továbbra is a vasalás. 

Ezen megfontolásoknak megfelelően a rúdvasalás számítási paramétereit kiterjesztettük ún. "Tűz" tervezési paraméterekkel:

1616683634098-422.png

Hőmérséklet-eloszlás

Acél- és betonrudak tervezésének a lényege a keresztmetszetek hőmérséklet-eloszlásának, és az arra vett csökkentett keresztmetszet és/vagy anyagtulajdonságok meghatározása. Ezen előkészítések után egy szokásos tervezés-futtatás már elvégzi a tűzhatásra ellenőrzést is. A hőmérséklet-meghatározáshoz szükséges hőhatásokat az EC 1991-1-2 harmadik fejezete adja meg, amely leírja a felmelegedés és a sugárzás által okozta nettó hőáramot a tűz által kitett felületeken (szabvány tűzgörbék alapján). Acélrudaknál a típus-keresztmetszetek vékonyága miatt állandó hőmérséklet-eloszlás feltételezhető. Ezen (állandó) hőmérséklet számítását az EC3 alapján végezhetjük el. Ez a feltételezés azonban helytelen vasbeton keresztmetszetekre. Ezért ezen keresztmetszetek helyes hőmérséklet-eloszlás meghatározásá a FEM-Design egy nemlineáris, végeselemes hőátadás-számítást hajt végre meghatározott időintegrációs sémát alkalmazva.

A hőmérséklet-eloszlás számítására szolgáló paraméterek a kékkel kiemelt csoportok alatt érhetőek el (Vasbeton tervezés > Rúd vasalás > Tervezési paraméterek):

1616683676530-629.png

A numerikus szimuláció egy explicit megoldót használ, ezért az időlépés megfelelő megválasztása kulcsfontosságú. Mind a megoldó pontosságát, mint a stabilitását nagyban befolyásolja. A szimuláció előtt a FEM-Design meghatározza a feladathoz tartozó kritikus időlépést (kezdeti szobahőmérséklet feltételezésével), majd kiválasztja a Tervezési paramétereknél meghatározott és az így megkapott kritikus értékek közül a kisebbet, így biztosítva a numerikus stabilitást. A kritikus időlépés a feladat megoldása során időben változhat. Mivel számítása rendkívül időigényes, ezért csak a számítás legelején határozzuk meg, ahelyett, hogy minden időlépésben újraszámolnánk. Ennek következményeként előfordulhat, hogy a megoldás divergál, ilyen esetben a számítás automatikusan újraindul egy kisebb időlépéssel, mindaddig, amíg a megoldó vagy konvergál a csökkentett időlépéssel, vagy egy bizonyos határéték alá csökken (ebben az esetben figyelmeztető üzenetet küld).

A számításhoz végeselem módszer alapján történik, melynek sűrűségét magánk állíthatjuk. Tapasztalataink alapján a közepes sűrűség az esetek többségében megfelelő pontosságot biztosít.

Általában a sűrűbb háló kisebb kritikus időlépést és így exponenciálisan növekedő számítási időt ad.

1615981802329-263.png

A Tűznek kitett keresztmetszeti oldalak ábráján bármely keresztmetszetre megadhatjuk a peremfeltételeket: tűznek kitett, szabad (közvetlen tűznek nem kitett, szabad (szobahőmérsékletű) tér felé néző) vagy tűzvédelmi burkolattal védett oldal. 

1615920973435-976.png

  • A kör keresztmetszet esetén, hogy ne csak egy peremfeltételt lehessen megadni, a keresztmetszeti kontúrt nyolc egyenlő részre osztjuk.
  • A keresztmetszeti lyukakra is végeselem hálót alkalmazunk, de a levegő termomechanikai tulajdonságaival ellátva.
  • A hőmérséklet-eloszlás számítási ideje széles tartományban változhat a hálósűrűség, az Időlépés és a Tűz időtartama függvényében. A várható időt a számítás folyamatát jelző ábrából becsülhetjük, illetve a számítást meg is szakíthajuk.

Számítási modellek

A tűzállóság ellenőrzéséhez az Eurocode 1992-1-2 alkalmazzuk az egyszerűsített számítási - "Zóna" vagy "500°C izoterm" -  módszerekkel kombinálva.

1615987770128-141.png

  • Mindkét módszer hőmérséklet-eloszláson alapul. Egy tranziens hőáramlás számító modul számítja a keresztmetszeten belüli tényleges hőmérséklet-eloszlást a megadott Tűz időtartama szerint és figyelembe véve a fajhő, a sűrűség és a hővezető-képesség hőmérsékletfüggését.
  • Mindkét módszer csökkenti a beton keresztmetszetét és megváltoztatja a beton és rúdacél anyagjellemzőit, és ezen bemeneti adatokkal egy "szokásos" tervezés/ellenőrzés fut le.
  • Téglalap szelvényekre a legpontosabb és legmegbízhatóbb módszer a "Zóna" módszer. Empirikus képletei miatt kizárólag csak téglalap szelvényekre alkalmazhatjuk.
  • Az "500°C izoterm" módszer bármely keresztmetszeti alakra alkalmazható.

A "Zóna" módszer a szabvány szerint pontosabb, különösen az oszlopok esetében, de csak téglalap alakú keresztmetszetekre alkalmazható. A valóságban, mivel a hőmérséklet a keresztmetszet minden pontján eltérő lehet, a beton anyagmodellje is pontról pontra eltérő lehet. A módszer ajánlása szerint, a szakasz leghidegebb pontját (referencia-hőmérséklet) vesszük, és az eredeti keresztmetszetet oly módon csökkentjük, hogy azt állandó betonanyaggal ellátva (a referencia hőmérséklet alapján) egyenértékű legyen az eredetivel keresztmetszet változó beton anyagú modelljével. A sérült rész számításához a keresztmetszetet 20 "zónára" osztjuk a gerendák esetén a B.12 képlettel és az oszlopok esetén a B.13 képlettel (B. melléklet). A módszer a beton referencia-hőmérsékletét használja a szobahőmérsékleti tulajdonságok redukciós tényezőinek becslésére. A szabvány által javasolt anyagmodellt módosítja, a leszálló ágat nem veszi figyelembe (a biztonság javára) a numerikus instabilitás elkerülése céljából a keresztmetszeten belüli nemlineáris feszültségeloszlás-számításakor.

sigma1.png

Acélok esetében is a szabvány csökkentett anyagmodellt ajánl (a hőmérséklet-eloszlás, az acélosztályok és a gyártástípus alapján) a leszálló ág elhanyagolásával.

sigma2.png

Tűzhatásra tervezésben figyelembe vesszük a beton tűzre megadott biztonsági tényezőket:

1615921480414-815.png

Az "500°C izoterm" módszer bármilyen alakú keresztmetszetre alkalmazható, alapötlete az, hogy eltávolítja a keresztmetszet azon (sérült) részeit, ahol a hőmérséklet meghaladja az 500°C-ot, és a csökkentett keresztmetszetet az eredeti (szobahőmérsékletre jellemző) beton tulajdonságokkal modellezi a tűzre megadott biztonsági tényezőkkel ellátva. A betonanyag modellje így nem függ a hőmérséklettől. A betonacélok modellezésénél mindkét módszer a szabvány által javasolt redukált anyagmodellt használja.

Miután a két számítási modell egyike megadja a csökkentett keresztmetszetet és a csökkentett anyagtulajdonságokat, az EN 1992-1-1 szerinti szokványos tervezés és ellenőrzés fut le. Az EN 1992-1-2 szabvány B. melléklete az egyszerűsített számítási modellek elveit egy alapesettel ismerteti, csak a szakaszok kihasználtság-számítására összpontosít, a nyírás és csavarás ellenőrzésével nem foglalkozik. A D. melléklet tér ki ezekre a hiányzó vizsgálatokra azzal a feltételezéssel, hogy ezen tönkremeneteli típusok nagyon ritkák tűzesetekben, de csak informatív módon, mert az ismertetett számítási módszerek nem bizonyítottak teljes mértékben. Figyelembe véve a szabvány ezen megjegyzéseit, a nyírásra és csavarásra történő ellenőrzés opcionális (Ellenőrzés/tervezés nyírás és csavarás elleni tűzállóságra). A "Zóna" módszer esetén a beton tulajdonságok módosítása eltérő hosszúságú lehorgonyzási hosszakat eredményezhet, ami szintén nem igazolt, így ezt a szempontot a Lehorgonyzási hossz tervezés csökkentett anyagjellemzőkre opcióval vezérelhetjük.

A szabvány szerint figyelembe kell vennünk a keresztmetszeten átmenő hőmérsékleti gradiensekből eredő hődeformációk hatásait. Ezeket a közvetett hatásokat manuálisan kell megadnunk  a"Tűz” típusú Terhelési esethez, ha relevánsak (nem minden oldal van tűznek kitéve). Sajnos ezen hatások reális és megfelelő módon történő automatikus kiszámítása rendkívül bonyolult. A hőhatásokból számított ekvivalens lineáris kinematikus terhelések erősen túlbecsülik ezen közvetett hatások valós értékét. Ennek a problémának a helyes megoldásához olyan korszerű termo-mechanikai szimulációra lenne szükségünk, melyben a beton anyagmodellje követi a hőmérséklet emelkedését és a repedés folyamatát.

Tervezés

A tűzhatásra ellenőrzés és automatikus tervezés elérhető Teherkombinációkra és Tehercsoportokra egyaránt. Teherkombinációk esetén, az ellenőrzést/tervezést olyan rendkívüli teherbírási határállapotú kombinációkra végezjetjük el, amelyek "+Tűz" típusú Terhelési esetet tartalmaznak. Tehercsoportok esetén - az acél- és farudak tervezéséhez hasonlóan - egy "Rendkívüli" Tehercsoportba kell sorolnunk a "+Tűz" típusú Terhelési esetet. A Számítási paramétereknél (lásd korábban) a Vasalás tervezés tűzállóságra opcióval vezérelhetjük, hogy ezen tűzkombinációkat a tervezésben is vagy csak az ellenőrzésben (a szükséges vasalás számítását követően) vegyük figyelembe.

1615921738191-502.png

Eredmények

A modelltérben, a kihasználtság eredmények tűz-típusú Teherkombinációkra az Eredmények > Vb. rúd > Kihasználtság (Vasbeton tervezés) alatt érhetőek el.

A vasbeton rudak részletes eredményei kiegészültek a "Hőmérséklet-eloszlás" szakasszal tűz-típusú Teherkombinációkra és azon a Teherkombinációk maximumára, ahol a tűzhatás a mértékadó. 

1615922661726-723.png

A részletes eredmény további szakaszai az aktuálisan megjelenített eredmény tűz relevanciájától függően további információkat tartalmazhat. A "Keresztmetszet" szakaszban megjelenik a csökkentett keresztmetszet méreteivel és adataival.

1615922770531-437.png

A "Betonanyagok" szakaszban mind az eredeti (szobahőmérséklet), mind a csökkentett számítási és szilárdsági paraméterek listázódnak a teherbírás-alakváltozás függvények ábrázolásával.

1615922854809-524.png

A betonacél anyagok bonyolultabbak, mivel minden betonacél tetszőleges hőmérséklet-eloszlása eltérő tulajdonságokkal bírhat, annak ellenére is, hogy ugyanabból az acélból készülnek. Ezenkívül a kengyelek referencia-hőmérsékletének meghatározása a D. melléklet szerint kissé zavaros, ezért külön táblázatban szerepelnek a hosszirányú acélbetétektől. A hosszirányú acélbetét anyagok csökkentett tulajdonságai az acélbetét helyzet, referenciahőmérséklet (T) és sorszám (Ssz.) szerint listázódnak.

1615922911653-945.png

Kengyel esetén a referenciahőmérsékletet az effektív húzott területekenistázzuk, így tehát kombinációfüggő (szakaszonként eltérő lehet). A referenciahőmérséklet eltérő lehet egy kengyel szakaszain is az 'a-a' vonal alapján (D.2 ábra; ha az „a-a” egyenesnek nincs metszéspontja a kengyelszakasszal, akkor a kengyelszakasz középső pontjában számoljuk). 

1615923578238-447.png

A részletes eredmény további szakaszaiban a változók releváns értékeit ("eredeti" vagy "tűz") listázzuk a Teherkombináció típusától függően.


Gyűjtőfejezet: Vasbeton tervezés

Tags:
Copyright 2020 StruSoft AB
FEM-Design Wiki