Teplota přípoje U profilem a čelní deskou při požáru

Abstract

Práce se zabývá stanovením teploty během požáru v požárně nechráněném a požárně chráněném přípoji nosníku na sloup uzavřeného průřezu vyplněný betonem. Popisuje současný stav výzkumu týkající se předpovědi teploty v přípojích ocelových a ocelobetonových konstrukcí, shrnuje výsledky v minulosti provedených požárních zkoušek v peci a na skutečných konstrukcích a uvádí dosud navržené předpovědní modely. Hlavním cílem práce je sestavení analytického modelu pro předpověď teploty přípoje U profilem a čelní deskou, který je založen na přírůstkové metodě výpočtu teploty ocelové konstrukce při požáru. Přírůstková metoda je rozšířena o stanovení tepelného toku mezi ocelovou částí konstrukce a betonem v ocelobetonovém sloupu. Pro jednotlivé části přípoje jsou definovány dvourozměrné součinitele průřezu. Model přestupu tepla předpokládá, že na vnitřní plochy U profilu a přilehlou část trubky sloupu sálá teplo především z objemu plynu, který se nachází mezi těmito plochami. V rámci analytického modelu je popsán výpočet emisivity požáru, která se přisuzuje vnitřním plochám přípoje. Experimentální část tvoří požární zkoušky v peci, kde byla ocelobetonová rámová konstrukce vystavena teplotnímu zatížení podle nominální normové teplotní křivky, a dvě požární zkoušky provedené na experimentálním objektu. Konstrukce experimentálního objektu byla vystavena reálným požárním scénářům s ochlazovací fází. Z požárních zkoušek jsou získány teploty požárně nechráněných a požárně chráněných přípojů, které slouží pro validaci numerického modelu. Numerický model využívá metodu konečných prvků a je počítán v programu SAFIR. Z validace numerického modelu vyplývá, že pro oblast přípoje je vhodné uvažovat nižší hodnotu součinitele přestupu tepla prouděním než pro prutové prvky konstrukce. Analytický model je verifikován na souboru numerických simulací. Celková přesnost analytického modelu je ?10 %.

Doctoral thesis is focused on the temperature distribution in the reverse channel connection to concrete-filled tubular column during a fire. The comprehensive state of the art describes the parametrical prediction methods of connection temperatures in steel and composite steel and concrete structures and summarizes results of previously performed furnace fire tests and fire experiments on real structures. The main goal of the thesis is to describe an analytical model of calculation of the reverse channel connection temperature. The proposed analytical model is based on the Lumped Capacitance Method to determine the steel member temperature in a fire and includes a quantity of heat transferred between steel parts of the connection and concrete filling of the composite column. Equivalent two-dimensional section factors for all joint components in the same region of the connection are considered in calculation. Heat transfer model also assumes that the inner surfaces of the reverse channel and the adjacent part of the column tube are mainly radiated by heat from the gas volume which is bounded by these surfaces. Description of a flame emissivity calculation for the inner surfaces of the joint is introduced in the thesis. The experimental program consists of furnace fire tests with the composite frame subjected to increasing temperature according to the standard time-temperature curve and two full-scale fire tests on an experimental object. The load-bearing structure of the experimental object was exposed to real fire scenarios with a cooling phase. Temperatures of the fire unprotected and fire protected connections from the tests are used to validate the numerical FEM model which is calculated in the software SAFIR. The validation of the numerical model shows that it is appropriate to consider a lower value of coefficient of convective heat transfer in the connection area than the value for other regions of the structure. The analytical model is verified by numerical simulations. The total accuracy of the analytical model is ?10 %.