Változó keresztmetszetű acél keretszerkezetek optimális tervezése tűzhatással szemben

Átírás

1 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop Változó keresztmetszetű acél keretszerkezetek optimális tervezése tűzhatással szemben 08. november 9. Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop Dr. Balogh Tamás Szoftverfejlesztő mérnök Inter-CAD Kft. Dr. Vigh László Gergely Egyetemi docens BME, Hidak és Szerkezetek Tanszék

2 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop Motiváció: tűzhatással szembeni méretezés rendkívüli nemlinearitás nem konvex és diszkrét jelleg gazdaságos szerkezet megtalálása időigényes próbálgatási folyamat, változó keresztmetszetű, acél csarnokszerkezetek optimális tervezése tűzhatással szemben kevéssé vizsgált terület, optimális szerkezetválasztás vizsgálata, tervezési koncepciók kidolgozása, megfelelő megbízhatósági szint vizsgálata. E A A 8 7 B 6 C 5 4 D 3 E O/ HO/6 BV/7 ZKL/ KM/3 HG/5 VBM/ M/7 M/ VBM/ VBM/7 M/ KM/3 ZKK/3 VB D F KK/ HO/7 KK/ HO/7 O/3 FO/3 T/ T/ T/ C KK/ O/4 KK/ HO/ BV/7 HO/ FO/0 T/ T/ B T/7 T/7 ZS/ T/7 T/7 G/5 VBM/ G/ VH/ HG/4 ZKK/4 ZKL/ ZKK/3 VBM/ M/ ZK/ G ZK/3 ZKK/4 VBM/ ZKK/3 KM/3 VBM/3 VBM/ VBM/7 VBM/7 M/ BV/5 VBM/4 VB T/3 BV/ K M/7 KM/3 KM/3 ZK/ KM/3 ZK/3 M/7 ZKK/4 K O/6 K/9 G/9 T/ I VBM/ VH/ G/8 VBM/ M/3 VBM/ VH/ VH/ VBM/3 VBM/0 VBM/0 VBM/ VBM/4 T/3 HG/ BV/6 G/6 VH/ VBM/7 BV/3 VBM/4 K M/ VBM/9 VJM/ VJM/ M/5 VBM/5 VJM/ VBM/9 VJM/ T/8 T/8 T/8 T/8 BV/5 VBM/5 BV/ VBM/3 VJM/ VBM/ VH/ ZS/3 RT/ K/ K/4 K/ LK/ VJM/ T/6 G/0 FO/6 VBM/4 K/8 VJM/ T/ K/ T/ Z FO/8 FO/ FO/5 G/7 VH/ K/7 LK/3 H T/ FO/ FO/7 KK/ T/4 VBM/4 K/7 LK/ FO/6 T/6 T/ G/ VH/ K/5 K/7 J KK/ T/ VBM/8 T/ KK/ HO/ BV/7 VBM/5 KK/ HO/4 HO/7 HO/ T/ FO/4 O/ O/5 BV/7 T/4 5.9 m HO/5 VBM/7 BV/6 ZKK/3 ZKK/4 BV/3 M/7 K VB VBM/7 VB M/3 0.0 m 9.0 m VBM/8 M/8 VH/ G/4 HG/3 VH/ VH/ VBM/4 K G/3 VJM/ VBM/9 VJM/ VJM/ VJM/ K/3 VJM/ VJM/ VJM/ T/ M/ VBM/9 M/5 VH/ VBM/ VBM/5 VBM/ a) ISO standard fire curve OzoneV fire curve Parametric fire curve T [ C] t [min]

3 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 3 Célok: szerkezetoptimáló keretrendszer kidolgozása, Start Initialization Maximum number of iteration n iter i= Generation of random population Objective function evaluation, penalization Ranking i=i+ no i< n iter yes Selection crossover ratio c=0 Crossover uniform crossover Replacement Mutation Mutation ratio r=0 Randomly selected n b=,, bits/genes Objective function evaluation, penalization Ranking Maximum number of iteration reached Print the results Uniform crossover A bit is selected from P or P with 0.5 probability Parent Parent Child Child Mutation ± hatékony megbízhatósági analízis eszközök kidolgozása, G X 0 G X 0 G X megbízhatósági index célértékek vizsgálata és bemutatása tűzhatással szembeni méretezéshez, 3 X X.5 paraméteres vizsgálat keretén belül különböző optimális szerkezeti megoldások vizsgálata, új és hasznos tervezési koncepciók kidolgozása tervezőmérnökök számára. Life cycle cost [HUF]. x Iteration

4 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 4 Vizsgált szerkezet: ZKL/ KM/3 ZKK/3 VB E A KM/3 A 8 7 B 6 C 5 4 D 3 E HG/5 VBM/ M/7 M/ VBM/ VBM/7 VBM/ VH/ M/ D K G/ HG/4 M/ VBM/ VBM/3 VBM/ VBM/7 VBM/7 F VH/ T/ T/ O/ O/3 HO/6 BV/7 M/ BV/5 VBM/4 VB T/3 BV/ K KK/ HO/7 KK/ HO/7 FO/3 T/ K B C KK/ KK/ HO/ BV/7 HO/ BV/3 T/ VBM/ VH/ G/8 ZKL/ ZKK/3 G/6 M/ VBM/9 VJM/ VBM/4 O/4 VJM/ M/5 VBM/5 VJM/ VJM/ T/ VBM/ M/3 VBM/ ZKK/4 ZK/ ZK/3 ZKK/4 VBM/ VBM/ ZKK/3 M/7 ZK/ ZK/3 M/7 ZKK/4 FO/0 T/7 T/7 ZS/ T/8 T/7 T/7 KM/3 KM/3 KM/3 O/6 G/5 KM/3 VBM/4 VH/ VH/ VBM/3 VBM/0 VBM/0 5.9 m T/3 G HO/5 I VBM/7 HG/ BV/6 VBM/9 T/8 T/8 T/8 BV/5 VBM/5 BV/ VBM/3 VJM/ VBM/ T/ VH/ VH/ G/ VH/ K/9 ZS/3 G/9 RT/ K/ K/4 K/ T/6 LK/ VJM/ T/ G/0 VBM/4 T/ K/8 VJM/ K/ FO/6 FO/ FO/5 Z FO/8 G/7 K/7 H T/ K/3 T/4 LK/3 T/ T/6 VBM/4 K/7 LK/ FO/ FO/7 KK/ K/5 K/7 FO/6 T/ J VBM/7 BV/6 M/7 KK/ HO/ VB VB T/ M/3 VBM/5 VBM/8 T/ KK/ BV/7 ZKK/3 ZKK/4 BV/3 K 0.0 m 9.0 m Type Value dead load of the calculated frame dead load of the 0. kn/m roof system weight of the 0. kn/m equipment snow.5 kn/m velocity pressure 0.58 kn/m of wind VBM/7 VBM/8 VH/ G/4 HG/3 M/8 HO/ VH/ VH/ HO/7 VBM/4 M/5 VH/ HO/4 VJM/ VBM/ VBM/5 KK/ VBM/9 VJM/ VJM/ VJM/ T/ VJM/ VJM/ VJM/ VBM/3 FO/4 O/ O/5 BV/7 K M/ VBM/9 G/3 T/4 SD8 modul: Acélszerkezetek tűzállósági méretezése

5 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 5 Szerkezetoptimáló algoritmus kifejlesztése - célfüggvény: Cost, Risk Cx C LC x Cx Rx Rx Cost, Risk Cx safety a) b) unfeasible area x C LC Célfüggvény tűzhatással szembeni méretezéshez: Rx min safety C LC x minc x Rx C 0 x C x C acélszerkezet passzív tűzvédelem aktív tűzvédelem

6 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 6 Szerkezetoptimáló algoritmus kifejlesztése - GA: i=i+ Start Initialization Maximum number of iteration n iter i= Generation of random population Objective function evaluation, penalization Ranking yes i< n iter Selection crossover ratio c=0 no Uniform crossover Parent Maximum number of iteration reached Print the results A bit is selected from P or P with 0.5 probability Life cycle cost [HUF]. x Iteration Crossover uniform crossover Parent Replacement Child C LC min! C x LC Mutation Mutation ratio r=0 Randomly selected n b =,, bits/genes Objective function evaluation, penalization Ranking x g x g x; g x SLS ULS i i x Child Mutation i x lim, i ± i lim, i x ULS, SLS határállapotok vizsgálata hagyományos terhekre.

7 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 7 Megbízhatósági analízis: 3.5 X GX GX 0 X.5 GX 0.5 Definition of discrete and random variables Distribution, parameters, correlation Design point min! U U G U 0 HLRF iteration T P f P G X 0 f X G X 0 dx Normal tail approximation FORM X i i ui G i U TU' U GU [Lopez & Beck, 0] n G U GU iui x i i n G U i x i i * X i i i G U i xi i n G U i x i i i no Convergence? yes P failure

8 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 8 Csarnokszerkezet megbízhatóságának számítása - tűzhatás: P f P S, f flashover X Pflashover megbízhatósági analízis során nem elkülönített elemek megbízhatóságának számítása történik, hanem a teljes szerkezeti rendszeré; bármilyen típusú tűzgörbe figyelembevétele; megbízhatósági analízisen belül a szerkezet nemlineáris analízise a termikus hatás figyelembevételével; megbízhatóság számítása idő alapon.

9 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 9 Csarnokszerkezet megbízhatóságának számítása - tűzhatás: tűzgyulladás Ignition fire/m /year yes no Fire stopped by occupants yes no Fire stopped by fire brigade fire/m /year Active safety measure Ignition aktív tűzvédelem Active p. Ignition T F F 0 T Flashover Ignition T F P ignition -P ignition fire/year Flashover Active p. Ignition T F F F 0 F T 0 T F 0 T T P FL A - P FL A P flashover, P flashover,50 független események: év 50 év Tönkremeneteli módok: oszlop- és gerendaelemek stabilitási és szilárdsági tönkremenetele gerinclemezek nyírási horpadása; kapcsolatok szilárdági tönkremenetele; képlékeny mechanizmus; globális stabilitásvesztés.

10 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 0 Csarnokszerkezet megbízhatóságának számítása - tűzhatás: D stuctural model in OpenSees: h ϕ e c x 0 + x 0 = 60 ForceBeamColumn Elements 5. h e c h mm L 9000 e b 47. 5mm eb My [Nmm] x 08 Column base conn. T=0 C Column base conn. T=500 C Column-beam conn. T=0 C Column-beam conn. T=500 C Ridge connection T=0 C Ridge connection T=500 C φ [rad] Soros rendszer esetén: S, f P β,ρ S, f m hőtágulás hőmérsékletfüggő szilárdság hőmérsékletfüggő merevség β..., f, f n, f ; ρ... n... n n 3 n n 3n ij ji

11 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop Csarnokszerkezet megbízhatóságának számítása - tűzhatás: R d 400 t T 0.77 A 40 V a,t R g,t eq c a a,t a A V t

12 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop Csarnokszerkezet megbízhatóságának számítása - tűzhatás: Valószínűségi változó μ CoV Eloszlás Forrás folyáshatár [MPa] lognormális (JCSS, 000) gépészeti teher [kn/m ] 0./ normális szélteher [kn/m szélsebesség [m/s] Calculation, EC0, ] lognormális lognormális (JCSS, (Szalai 000), et al., EC--4 0) hóteher [kn/m ] Weibull Calculation, EC0, (JCSS, 000), EC--3 oszloptalp kapcsolat ellenállásának bizonytalansága [-] lognormális (JCSS, 000) oszlop-gerenda kapcsolat ellenállásának bizonytalansága [-] lognormális (JCSS, 000) taréjkapcsolat ellenállásának bizonytalansága [-] lognormális (JCSS, 000) jobboldali oszlop keresztmetszeti tényezőjének bizonytalansága [-] 0.05 normális (JCSS, 000) baloldali gerenda keresztmetszeti tényezőjének bizonytalansága [-] 0.05 normális (JCSS, 000) jobboldali gerenda keresztmetszeti tényezőjének bizonytalansága [-] 0.05 normális (JCSS, 000) hatásoldali bizonytalansági tényező [-] 0.5 lognormális ellenállás oldali bizonytalansági tényező [-] 0. lognormális kifordulás miatti csökkentő tényező (Nadolski and Sykora,.5 0. normális bizonytalansági tényező [-] 05) kihajlás miatti csökkentő tényező (Nadolski and Sykora,.5 0. normális bizonytalansági tényező [-] 05) (Balogh and Vigh, acélhőmérséklet bizonytalansága [-] 0.3 lognormális 06a), (Boko et al., 00) T [ C] OZone tűzgörbe kétzónás tűzmodell alapján: b) Flashover mean 5 th percentile Heat zone gas temperature Cold zone gas temperature Zone interface elevation Design curve ~ 95 th fractile t [min] 0 5 Zone interface elevation [m]

13 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 3 Optimális kialakítás vizsgálata paraméteres vizsgálat: Oszlop Gerenda tw,c gerincvastagság tw,b gerincvastagság tf,c övvastagság tf,b övvastagság bc övszélesség bb övszélesség hc km. magassága oszloptalpnál hb km. magassága taréjnál hc km. magassága keretsaroknál hb km. magassága keretsaroknál tp,c tűzvédelmi festék vtg. alul tp,b tűzvédelmi festék vtg. nem változó km. tp,c tűzvédelmi festék vtg. felül tp,b tűzvédelmi festék vtg. változó km. tp,c tűzvédelmi festék vtg. kapcsolatnál Life cycle cost [HUF]. x 07. konvergencia stabilitás genetikus algoritmus paraméterei Iteration

14 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 4 Paraméteres vizsgálat - tűz: A referencia-csoport B C D E F G H # Követelmé ny cs [ /kg] cp [ / (mm m )] C [ /m ] Aktív tűzvédelem Cf [m ] Tűzgörbe gépészet [kn/m ] R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R füstérzékelő R R R R sprinkler R sprinkler R sprinkler T [C ] OZone tűzgörbék: t [min] R30, R45 és R60

15 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 5 Paraméteres vizsgálat - tűz: Optimális keresztmetszetek b/t arány: (összehasonlítás hagyományos terhekre optimált szerkezetekkel) 0 Pl. oszlop övlemez: Column flange slenderness (ref. b/t=.4 and b/t=3.) kisebb A/V stabilitásvesztésre kevésbé érzékeny Difference [%] Cases Életciklus költségek: C LC [000 EUR] (összehasonlítás hagyományos terhekre optimált szerkezetekkel tűzvédő festék vtg. jelenlegi gyakorlat szerint) Case No. nagy C f, illetve nagy P flashover

16 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 6 Paraméteres vizsgálat - tűz: Megbízhatósági szint: 50 éves élettartam Megerősítés Csekély Mérsékelt Jelentős Tűzhatás költsége következmények következmények következmények Magas Súlyos.8 (.8)*.8 3. (.8 3.3) 3.6 (3.7)* Közepes Mérsékelt.8 (.9)* ( ) 3.6 (3.8)* Alacsony Gyenge.9 (3.0)* ( ) 3.7 (3.8)* 50 éves tervezési élettartam: MSZ EN 990:0 Alacsony Közepes következmények következmények (CC) (CC) Jelentős következmények (CC3) 3,3 3,8 4,3 50 éves tervezési élettartam: Probabilistic Model Code of JCSS (JCSS, 000) Megerősítés költsége Csekély következmények Mérsékelt következmények Jelentős következmények Magas (A),67,98,55 Közepes (B),55 3, 3,46 Alacsony (C) 3, 3,46 3,83 Élettartam: ISO 394 (ISO 394, 05) Megerősítés költsége Csekély következmények Mérsékelt következmények Magas (A),5,3 3, Közepes (B),3 3, 3,8 Alacsony (C) 3, 3,8 4,3 Jelentős következmények (C 0,opt + C,opt )/C 0,ref - C 0,ref [%] P f Φ Φ A megbízhatósági index szórásának oka: a megbízhatósági index célértéke, illetve a gazdaságos biztonsági szint függ többek között az épületben tárolt éghető anyagok mennyiségétől és minőségétől.

17 Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése workshop 7 Paraméteres vizsgálat - tűz: Hagyományosan méretezett szerkezetek tönkremeneteli valószínűsége: 4 β (ρ=0.9) Köszönöm a megtisztelő figyelmet!