Development and application of corotational finite elements for the analysis of steel structures in fire
Creators: name: Possidente, Luca
Publisher: name: Università degli studi di Trento
Year: 2021

description: Utbredningen av en brand inuti en byggnad kan leda till global eller lokal strukturell kollaps, särskilt i stålramkonstruktioner. Faktum är att stålkonstruktioner är särskilt utsatta för termiska angrepp på grund av ett högt värde av stålkonduktivitet och tvärsnitten med små tjockleken. Som en viktig aspekt av konstruktionen bör brandsäkerhetskrav uppnås antingen enligt föreskrivande regler eller enligt antagande av prestationsbaserad brandteknik. Trots möjligheten att använda enkla metoder som involverar membersanalys kombinerat med nominella brandkurvor, är en mer exakt analys av det termomekaniska beteendet hos en stålkonstruktion ett tilltalande alternativ eftersom det kan leda till mer ekonomiska och effektiva lösningar genom att ta hänsyn till möjliga gynnsamma mekanismer. Denna analys kräver vanligtvis utredning av delar av strukturen eller till och med av hela strukturen. För detta ändamål och för att få en djupare kunskap om strukturelementens beteende vid förhöjd temperatur bör numerisk simulering användas. I denna avhandling utvecklades och användes termomekaniska finita element som är lämpliga för analys av stålkonstruktioner utsätta för brand. Relevanta fallstudier utfördes. Utvecklingen av både ett termomekaniskt skal- och 3D balkelement baserade på en korotationsformulering presenteras. De flesta relevanta strukturfall kan undersökas på ett adekvat sätt genom att antingen använda något av dessa element eller kombinera dem. Korotationsformuleringen är väl lämpad för analyser av strukturer där stora förskjutningar, men små töjningar förekommer, som i fallet med stålkonstruktioner i brand. Elementens huvuddrag beskrivs, liksom deras karakterisering i termomekaniskt sammanhang. I detta avseende övervägdes materialnedbrytningen på grund av temperaturökningen och den termiska expansionen av stål vid härledningen av elementen. Dessutom presenteras en grenväxlingsprocedur för att utföra preliminära instabilitetsanalyser och få viktig inblick i efterknäckningsbeteendet hos stålkonstruktioner som utsätts för brand. Tillämpningen av de utvecklade numeriska verktygen ges i den del av avhandlingen som ägnas åt det publicerade forskningsarbetet. Flera aspekter av knäckningen av stålkonstruktionselement vid förhöjd temperatur diskuteras. I Artikel I tillhandahålls överväganden om påverkan av geometriska imperfektioner på beteendet hos komprimerade stålplattor och kolonner vid förhöjda temperaturer, liksom implikationer och resultat av användningen av grenväxlingsprocedur. I Artikel II valideras det föreslagna 3D-balkelementet genom meningsfulla fallstudier där torsionsdeformationer är signifikanta. De utvecklade balk- och skalelementen används i en undersökning av knäckningsmotstånd hos komprimerade vinkel-, Tee- och korsformade stålprofiler vid förhöjd temperatur som presenteras i Artikel III. En förbättrad knäckningskurva för design presenteras i detta arbete. Som ett exempel på tillämpningen av principerna för brandsäkerhetsteknik presenteras en omfattande analys i Artikel IV. Två relevanta brandscenarier identifieras för den undersökta byggnaden, som modelleras och analyseras i programmet SAFIR.