Numerical Analysis of Cellular Steel Beams Failure Modes in Fire Conditions
- 1. Polytechnic Institute of Bragança
- 2. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Description
Cellular Beams with long spans are increasingly used in the steel building constructions and usually are used with openings for technical equipment and ventilations systems cut in their web. These elements are deeper than normal rolled sections, with distributed circular openings, or other like squared or hexagonal, produced by cutting and welding hot rolled steel sections. Cellular beams in fire conditions may collapse by local buckling instability of the web-post between the openings, lateral torsional buckling or by Vierendeel bending at the openings. This behavior is analyzed and evaluated by a numerical method, using the finite element method, considering geometrically and material nonlinear simulations. A parametric analysis is performed for different cellular beams, considering the variation of: (i) different cross sections; (ii) web post widths; (iii) hole diameter to the section height ratios and (iv) distance between holes. Additionally the residual stress influence in the moment resistance is analyzed considering different distributions. The cellular beams collapse modes are related to the length of the beam rather to the geometric parameters of the apertures. Short beams, with relatively small T height, collapse by Vierendeel mechanism, for higher heights the collapse is due to web-post buckling. Longer beams collapse mainly by lateral torsional buckling. The Lateral Torsional Buckling resistance determined by the Eurocode 3 part 1.1 formulae, and considering the 2T section, is higher than the resistance obtained by the numerical method. For the studied cases, the presence or absence of residual stresses in the web does not influence the resistant capacity or collapse mode.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يتم استخدام العوارض الخلوية ذات الامتدادات الطويلة بشكل متزايد في إنشاءات المباني الفولاذية وعادة ما تستخدم مع فتحات المعدات التقنية وأنظمة التهوية المقطوعة في شبكتها. هذه العناصر أعمق من المقاطع المدرفلة العادية، مع فتحات دائرية موزعة، أو ما شابه ذلك مربعة أو سداسية، تنتج عن طريق قطع ولحام المقاطع الفولاذية المدرفلة على الساخن. قد تنهار العوارض الخلوية في ظروف الحريق بسبب عدم استقرار الانبعاج المحلي لعمود الشبكة بين الفتحات أو الانبعاج الالتوائي الجانبي أو عن طريق ثني فيرينديل عند الفتحات. يتم تحليل هذا السلوك وتقييمه بطريقة عددية، باستخدام طريقة العناصر المنتهية، مع الأخذ في الاعتبار المحاكاة الهندسية والمادية غير الخطية. يتم إجراء تحليل بارامتري للحزم الخلوية المختلفة، مع الأخذ في الاعتبار اختلاف: (1) المقاطع العرضية المختلفة ؛ (2) عرض عمود الويب ؛ (3) قطر الثقب إلى نسب ارتفاع المقطع و (4) المسافة بين الثقوب. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحليل تأثير الإجهاد المتبقي في لحظة المقاومة مع مراعاة التوزيعات المختلفة. ترتبط أوضاع انهيار الحزم الخلوية بطول الحزمة بدلاً من المعلمات الهندسية للفتحات. تنهار العوارض القصيرة، ذات الارتفاع الصغير نسبيًا، بواسطة آلية فيرينديل، بالنسبة للارتفاعات الأعلى، يكون الانهيار بسبب انبعاج عمود الويب. تنهار العوارض الأطول بشكل رئيسي عن طريق الانبعاج الالتوائي الجانبي. مقاومة الانبعاج الالتوائي الجانبي التي تحددها صيغ Eurocode 3 Part 1.1، وبالنظر إلى القسم 2T، أعلى من المقاومة التي تم الحصول عليها من خلال الطريقة العددية. بالنسبة للحالات التي تمت دراستها، لا يؤثر وجود أو عدم وجود ضغوط متبقية في الشبكة على السعة المقاومة أو وضع الانهيار.Translated Description (French)
Les poutres cellulaires à longue portée sont de plus en plus utilisées dans les constructions en acier et sont généralement utilisées avec des ouvertures pour les équipements techniques et les systèmes de ventilation coupés dans leur bande. Ces éléments sont plus profonds que les sections laminées normales, avec des ouvertures circulaires réparties, ou d'autres formes carrées ou hexagonales, produites en coupant et en soudant des sections d'acier laminées à chaud. Les poutres cellulaires dans des conditions d'incendie peuvent s'effondrer par instabilité locale de flambage du poteau entre les ouvertures, flambage de torsion latérale ou par flexion de Vierendeel au niveau des ouvertures. Ce comportement est analysé et évalué par une méthode numérique, en utilisant la méthode des éléments finis, en tenant compte des simulations non linéaires géométriques et matérielles. Une analyse paramétrique est effectuée pour différentes poutres cellulaires, en tenant compte de la variation de : (i) différentes sections transversales ; (ii) des largeurs de poteau de bande ; (iii) du diamètre du trou par rapport aux rapports de hauteur de section et (iv) de la distance entre les trous. De plus, l'influence de la contrainte résiduelle dans le moment où la résistance est analysée en tenant compte de différentes distributions. Les modes d'affaissement des faisceaux cellulaires sont liés à la longueur du faisceau plutôt qu'aux paramètres géométriques des ouvertures. Les poutres courtes, avec une hauteur en T relativement petite, s'effondrent par le mécanisme de Vierendeel, pour des hauteurs plus élevées, l'effondrement est dû au flambement du poteau en toile. Les poutres plus longues s'effondrent principalement par flambage en torsion latérale. La résistance au flambage en torsion latérale déterminée par les formules Eurocode 3 partie 1.1, et compte tenu de la section 2T, est supérieure à la résistance obtenue par la méthode numérique. Pour les cas étudiés, la présence ou l'absence de contraintes résiduelles dans la nappe n'influence pas la capacité de résistance ou le mode d'affaissement.Translated Description (Spanish)
Las vigas celulares con tramos largos se utilizan cada vez más en las construcciones de edificios de acero y generalmente se utilizan con aberturas para equipos técnicos y sistemas de ventilación cortados en su red. Estos elementos son más profundos que las secciones laminadas normales, con aberturas circulares distribuidas, u otras como cuadradas o hexagonales, producidas cortando y soldando secciones de acero laminadas en caliente. Las vigas celulares en condiciones de incendio pueden colapsar por la inestabilidad de pandeo local del poste de red entre las aberturas, el pandeo torsional lateral o por la flexión de Vierendeel en las aberturas. Este comportamiento se analiza y evalúa mediante un método numérico, utilizando el método de elementos finitos, considerando simulaciones no lineales geométricas y materiales. Se realiza un análisis paramétrico para diferentes vigas celulares, considerando la variación de: (i) diferentes secciones transversales; (ii) anchos de postes de alma; (iii) relaciones de diámetro de orificio a altura de sección y (iv) distancia entre orificios. Adicionalmente se analiza la influencia de la tensión residual en el momento de resistencia considerando diferentes distribuciones. Los modos de colapso de los haces celulares están relacionados con la longitud del haz más que con los parámetros geométricos de las aberturas. Las vigas cortas, con una altura T relativamente pequeña, se colapsan por el mecanismo de Vierendeel, para alturas más altas el colapso se debe al pandeo del poste de red. Las vigas más largas colapsan principalmente por pandeo torsional lateral. La resistencia al pandeo torsional lateral determinada por las fórmulas de la parte 1.1 del Eurocódigo 3, y considerando la sección 2T, es mayor que la resistencia obtenida por el método numérico. Para los casos estudiados, la presencia o ausencia de tensiones residuales en la banda no influye en la capacidad resistente ni en el modo de colapso.Files
Extended%20Abstract%205CILASCI%20CellularBeams.pdf.pdf
Files
(109.8 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:07cff2e5c3cde1c3bab2e4741388014f
|
109.8 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحليل العددي لأوضاع فشل العوارض الفولاذية الخلوية في ظروف الحريق
- Translated title (French)
- Analyse numérique des modes de défaillance des poutres cellulaires en acier en cas d'incendie
- Translated title (Spanish)
- Análisis numérico de los modos de falla de las vigas de acero celular en condiciones de incendio
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2984268601
- DOI
- 10.1007/978-3-030-36240-9_6
References
- https://openalex.org/W2051636259
- https://openalex.org/W2089382598
- https://openalex.org/W2591119842