Szacowanie temperatury krytycznej stalowych ram przechyłowych w pożarze rozwiniętym z uwzględnieniem zmieniających się właściwości strukturalnych węzłów

Abstract

Oszacowanie temperatury krytycznej w sposób jednoznaczny determinuje odporność pożarową ramy stalowej. Wyznaczenie jej wartości wymaga jednak opracowania procedur obliczeniowych uwzględniających specyfikę reakcji konstrukcji stalowej na działanie temperatury pożarowej, a zatem i odmienne od tych tradycyjnie rozpatrywanych potencjalnie możliwych do realizacji sposobów jej zniszczenia. W sytuacji pożaru, z uwagi na realizację wpływu wysokiej temperatury na właściwości stali, maleje sztywność poszczególnych składników węzła, wpływając tym samym na zmianę sztywności połączenia jako całości, co rzutuje na pracę całego ustroju nośnego. Podatność węzłów zmienia się również w rezultacie złożonej interakcji oddziaływań pomiędzy poszczególnymi składnikami węzła. Efekt ten, ze względu na trudności obliczeniowe, nie był jak dotąd uwzględniany w procedurach rekomendowanych w profesjonalnej literaturze przedmiotu. W pracy wykazano jednak, że jego pomijanie może prowadzić do znacznego przeszacowania prognozowanej odporności ustroju nośnego. Niezbędnym stało się wiec opracowanie odpowiedniej procedury obliczeniowej pozwalającej na uwzględnieni rzeczywistego zachowania się węzłów w pożarze. W niniejszej monografii przedstawiono i przeanalizowano metody pozwalające na utworzenie dedykowanej dla węzła eksponowanego na temperaturę pożarową charakterystyki moment-obrót opisującej jego zachowanie pod wpływem pożaru rozwiniętego. Pierwszy z rekomendowanych modeli pozwala na specyfikację odniesionych do warunków pożaru relacji moment zginający – obrót węzła na podstawie znanej a priori relacji tego typu skojarzonej z podstawową sytuacją projektową. Wykazano jednak, że tego typu procedura nie musi prowadzić do bezpiecznego oszacowania poziomu bezpieczeństwa w pożarze, zwłaszcza wtedy gdy jest prowadzona w oparciu o założenie, zgodnie z którym w warunkach pożaru nośność połączenia maleje proporcjonalnie do stopnia redukcji granicy plastyczności stali z której wykonano węzły natomiast sztywność tych węzłów – proporcjonalnie do stopnia redukcji modułu sprężystości podłużnej specyfikowanego dla tej stali. Takie uproszczenie jest niemiarodajne, nie da się bowiem pominąć wpływu jaki na zachowanie się badanych węzłów ma redukcja właściwości mechanicznych śrub zastosowanych w połączeniu. Drugi dyskutowany model opiera się na uogólnieniu na przypadek pożaru klasycznej metody składnikowej. Zaprezentowano procedury umożliwiające analizę modeli zniszczenia poszczególnych składników węzła z uwzględnieniem wpływu temperatury na ich zachowanie. Ponadto zamieszczono i szczegółowo skomentowano przykłady obliczeniowe, w których uwzględniono nie tylko czyste zginanie elementów łączonych w węzłach ale także interakcję zginania ze ściskaniem i/lub ze ścinaniem. Opisano i skomentowano również podstawowe zasady formułowania modeli numerycznych odniesionych do sytuacji pożaru. Zaproponowano także własne modele, które pozwalają na prześledzenie redystrybucji sił wewnętrznych w ramie stalowej eksponowanej na temperaturę pożarową i które stanowią uzupełnienie omawianych wcześniej modeli analitycznych. Pozwalają przy tym na wzajemne skonfrontowanie wyników uzyskanych przy zastosowaniu obydwu podejść a zatem na weryfikację i walidację rekomendowanych wcześniej procedur. Zawarte w tekście przykłady obliczeniowe ilustrują i przybliżają zaproponowane procedury. Szczególne znaczenie wydają się mieć te spośród nich, w których dokonano próby uwzględnienia zmieniającej się podatności węzłów na uzyskane oszacowanie odporności ogniowej ramy. Dotyczą one najpierw zachowania się belki stalowej o ograniczonej zdolności do wydłużenia, a następnie również do obrotu w podatnym węźle. Odrębna grupa modeli to te, które pozwalają na analizę zachowania się w pożarze ramy potraktowanej jako całość. Stanowią one podstawę do próby specyfikacji w przyszłości zasad prowadzenia na tym polu analizy typu globalnego, w miejsce powszechnie stosowanych jak dotąd rozważań o charakterze jedynie lokalnym, dla których wyniki w lepszym lub gorszym stopniu próbuje się interpretować jako te odnoszone formalnie do całego ustroju nośnego. Przy uogólnianiu na wyjątkową sytuację obliczeniową pożaru rozwiniętego różnego typu algorytmów i procedur specyfikowanych i zweryfikowanych dla podstawowej sytuacji projektowej jest bezwzględna konieczność uwzględniania różnego typu nieliniowości. W wielu przypadkach modele tego typu kryją w sobie założenia, o których na ogół się nie pamięta, a które nie mają przełożenia na sytuację związaną z pożarem obliczeniowym. W związku z powyższym w niniejszej pracy omówiono również podstawy uwzględniania nieliniowości w obliczeniach specyfikowanych dla sytuacji pożarowej.