The reconstruction of fire-damaged industrial steel halls Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

DOI: 10.12845/bitp.44.4.2016.4

prof. dr hab. inz. Marian Gwozdz1 mgr inz. Piotr Wozniczka1 mgr inz. Anna Tkaczyk2

Przyjfty/Accepted/Принята: 06.10.2015; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 04.05.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.12.2016;

Odbudowa stalowych hal przemyslowych uszkodzonych

w przebytym pozarze3

The Reconstruction of Fire-Damaged Industrial Steel Halls

Восстановление стальных конструкций промышленных цехов, поврежденных во время пожара

ABSTRAKT

Cel: Opracowanie w ramach programu odnowy optymalnej strategii odbudowy uszkodzonych szkieletow nosnych stalowych hal przemyslowych po przebytym pozarze.

Metoda: Analiza przypadkow stalowych hal uszkodzonych w pozarze, rozni^cych sif konstrukcji klas^ konsekwencji zniszczenia, zasifgiem ekspozycji termicznej i skal^ uszkodzen pozarowych. Inwentaryzacja skutkow pozarow w trzech analizowanych budynkach przemyslowych, nalez^cych do klas konsekwencji zniszczenia CC3 lub CC2, zdeterminowala koncepcje odbudowy hal w opracowanych projektach remontow. Wyniki: We wszystkich badanych przypadkach skutki pozaru uzewnftrznily sif w postaci mniej lub bardziej nasilonych imperfekcji geometrycznych: lokalnych i globalnych. Projekty wykonawcze remontow powypadkowych omawianych budynkow opracowano na podstawie modelowania komputerowego ukladow prftowych plaskich lub przestrzennych, z uwzglfdnieniem udokumentowanych imperfekcji geometrycznych. Ocena niezawodnosci konstrukcji stalowej po pozarze jest wtedy mozliwa wedlug procedur zamieszczonych w Eurokodzie 3. W konsekwencji przyjftych strategii uzdatniania, budynki zostaly przywrocone do eksploatacji niedlugo po pozarze, a skutki finansowe przestojow awaryjnych zostaly ograniczone do niezbfdnego minimum.

Wnioski: Na etapie projektowania nowych konstrukcji stalowych, o duzej kubaturze i stosunkowo niewielkim obci^zeniu ogniowym, uzasadnione jest przeprowadzenie studium poglfbionej analizy oddzialywania pozaru na konstrukcjf nosnq, przy uzyciu zaawansowanych modeli numerycznych MES. Drug^ grupf budynkow kubaturowych o konstrukcji stalowej stanowi^ istniej^ce hale stalowe, w ktorych doszlo do pozaru lokalnego lub rozwiniftego i uszkodzen elementow konstrukcji. Strategia opracowania programu naprawczego obejmuje wtedy na ogol wymianf lub wzmocnienie elementow trwale zdeformowanych. Kwesti^ otwart^ dla projektanta jest ustalenie zakresu koniecznych napraw i wzmocnien, ktory wynika z przyjftego modelu numerycznego w kontrolnych obliczeniach statycznych oraz akceptowanych przez uzytkownika wartosci imperfekcji geometrycznych konstrukcji. Dodatkowym waznym czynnikiem, ktory nalezy uwzglfdnic w programie naprawczym, jest czas uzdatniania obiektu po pozarze, poniewaz kazdy dzien przestoju awaryjnego oznacza zwykle dla uzytkownika wymierne straty finansowe. Proponowane procedury obliczeniowe w zakresie modelowania i oceny niezawodnosci konstrukcji stalowych, wyprowadzone z rekomendacji Eurokodu 3, w wielu praktycznych przypadkach uszkodzen pozarowych konstrukcji budynkow halowych s^ wystarczaj^ce do oceny ich trwalosci. Pracochlonne, calosciowe specjalistyczne analizy konstrukcji MES, uwzglfdniaj^ce przeplywy ciepla i wynikaj^cej z tych przeplywow przestrzennych deformacji stalowych elementow prftowych nie s^ w takich przypadkach konieczne.

Slowa kluczowe: pozar, niezawodnosc, trwalosc pozarowa, szkielety stalowe, hale Typ artykulu: studium przypadku - analiza zdarzen rzeczywistych

ABSTRACT

Objective: Development, within the renewal programme, of optimum reconstruction strategy for damaged bearing structures of fire-damaged steel industrial halls.

Method: Case analysis of fire-damaged steel halls differing in structure, consequence class, thermal exposure range and scale of fire damage. Inventory of fire effects in three analysed industrial buildings belonging to consequence classes CC3 or CC2 determined the accepted hall reconstruction strategies in prepared renovation designs.

Results: In all the cases examined, the impact of fire expressed itself in the form of more or less pronounced geometrical imperfections of local and global nature.

1 Politechnika Krakowska / Cracow University of Technology; [email protected];

2 Biuro Budowlane BAUKO s.c.

3 Procentowy wklad merytoryczny w opracowanie artykulu / Percentage contribution: M. Gwozdz - 40%, A. Tkaczyk - 30%, P. Wozniczka - 30%;

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Designs for post-accident repairs of these buildings were prepared based on the computer modelling of 2D or 3D bar structures including modelling of documented geometrical imperfections. The assessment of steel structure reliability after a fire was then possible in line with the procedures provided for in Eurocode 3. As a consequence of the adopted structural-improvement strategy, the buildings were returned to service soon after the fire, and the financial consequences of downtime were limited to the necessary minimum.

Conclusions: During the designing of new steel structures, especially in the case of buildings characterised by a large volume and a relatively low fire load, an in-depth analysis of fire action on the bearing structure, using advanced FEM numerical models, is justified. The existing steel halls, in which a localised or fully developed fire occurred, resulting in structural damage, constitute the second group of buildings having steel-bearing structure. The strategy for preparing a recovery programme in such a case involves the replacement with new components or the strengthening of permanently deformed structural components. The scope of the required repairs and reinforcements, being a result of the numerical model assumed for control static calculations and user-accepted values of geometrical imperfections in the structure, remains an open issue for the designer. The proposed computational procedures in the field of modelling and evaluation of the reliability of steel structures, derived in accordance with the recommendation in Eurocode 3, in many real-life cases of fire-damaged hall buildings are sufficient to estimate their durability. The time consuming, comprehensive FEM analyses of the structures taking into account the heat flow during fire and the resultant 3D deformations of the steel bar components are not necessary in such cases.

Key words: fire, reliability, fire durability, steel frames, halls Type of article: case study - analysis of real-life events

АННОТАЦИЯ

Цель: Разработка в рамках программы восстановления оптимальной стратегии приведения в рабочее состояние стальных несущих конструкций промышленных цехов, поврежденных во время пожара.

Метод: Анализ случаев стальных цехов, поврежденных огнем, отличающихся конструкцией, категорией последствий разрушения, тепловым диапазоном экспозиции и масштабом ущерба от пожара. Инвентаризация последствий пожара в трех анализируемых промышленных зданиях, относящихся к категории последствий разрушений СС3 или СС2, позволила принять стратегии восстановления цехов в разработанных проектах ремонта.

Результаты: Во всех исследуемых случаях последствия пожара проявились в виде более или менее значительных геометрических отклонений: местном и глобальном.

Рабочие проекты послеаварийных ремонтов этих зданий были разработаны на основе компьютерного моделирования плоских или пространственных стержневых систем, в том числе зафиксированного геометрического отклонения. Оценка надежности стальных конструкций после пожара является в этом случае возможной в соответствии с процедурами, перечисленными в Еврокоде 3. В результате принятых стратегий ремонта здания вскоре после пожара были переданы в эксплуатацию, а финансовые последствия аварийного простоя были сведены к минимуму.

Выводы: В стадии проектирования новых стальных конструкций, особенно в случаях зданий большой кубатуры и относительно низкой пожарной нагрузки, стоит провести углубленный анализ влияния пожара на опорную конструкцию с использованием продвинутых численных моделей МКЭ.

Вторую группу больших зданий стальной конструкции составляют стальные залы, в которых произошел пожар местного или глобального характера и повреждения конструктивных элементов. Стратегия разработки программы восстановления включает в себя замену или укрепление здеформированных элементов. Для проектировщика остается открытым вопрос определения масштаба необходимых ремонтных работ и создания укреплений, который вытекает из принятой вычислительной модели управления в статических расчетах и принятой пользователем величины отклонений геометрических конструкций. Еще одним важным фактором, который необходимо учитывать в программе восстановления является время ремонта объекта после пожара, потому что каждый день аварийного простоя обычно означает ощутимые финансовые потери для пользователя. Рредложенные методики расчета в моделировании и оценке надежности стальных конструкций, примененные согласно рекомендации Еврокода 3, во многих практических случаях повреждения конструкций цехов здания в результате пожара, достаточны для оценки их устойчивости. Трудоемкие, целостные специализированные анализы конструкций МКЭ с учетом тепловых потоков и пространственных деформаций стальных стержневых элементов, появляющихся в их результате, не являются необходимыми в этих случаях.

Ключевые слова: пожар, надежность, пожароустойчивость, стальные каркасы, цехи Вид статьи: тематическое исследование - анализ реальных случаев

1. Wprowadzenie

W artykule opisano trzy rozne przypadki pozarow hal przemyslowych, nalez^cych do klasy konsekwencji zniszczenia CC2 lub CC3. W przypadku hali 1 i 2 stwierdzone przestrzen-ne uszkodzenia pozarowe elementow konstrukcyjnych mialy zroznicowany zasi^g, natomiast w przypadku hali 3, pomimo dlugotrwalej akcji gasniczej, w ogole nie doszlo do duzych trwalych deformacji ukladow nosnych. Badane hale rozni^ si§ konstrukj kubatur^ budynkow, programem funkcjonalnym. Odmienne s^ rowniez skutki ekonomiczne i spoleczne pozarow kazdego z tych obiektow. Decyzje o uzdatnieniu budynkow podj^te zostaly przez ich wlascicieli niezwlocznie po uga-szeniu pozarow. Wszystkie trzy hale byly zaprojektowane w la-tach, w ktorych obowi^zywaly normy krajowe, a po przebytych pozarach, programy naprawcze oraz oceny niezawodnosci oparto na nowej generacji norm europejskich, a szczegolnosci

1. Introduction

The article describes three different cases of fire in industrial halls, categorised in the CC2 and CC3 consequence classes. The spatial fire damage to structural components in halls 1 and 2 had a varied extent; hall 3, despite a long fire-fighting action, did not sustain any major permanent deformations to its bearing systems. The analysed halls differed in terms of their structures, volumes, and functional characteristics. The economic and social impacts of the fires were also different in each of the analysed buildings. As soon as the fires were extinguished, their owners decided to introduce improvement measures. All three halls were designed in a period when national standards were in force, and the repair programmes and reliability evaluations which followed the fires complied with the new generation of European standards, in particular Eurocode 3. At the same time, restoration pro-

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Eurokodzie 3. Jednoczesnie dla wszystkich trzech budynkow opracowano programy ich naprawy wedlug odmiennych kon-cepcji ich odbudowy, ktore opisano w dalszej czçsci artykulu.

grammes were developed for each of the three buildings, in accordance with the different reconstruction concepts described further below.

Pt-1

PL-5

PL-5

PL-5

PL-5

PL-5

PL-5

.ST-3

N _1Ь/ s ЛР NV> PL- ч Ч . 4 Л*' \ ч су/ 4 4 ч. PL-2 ч —1

¿jV \ . ' Pt-3 N . PL-6 PL-7 PL-6 PL-7 0 с PL-6 PL-7 PL-6 PL-7 PL-e Pt-7 / ч У N . ' PL-3 s .

ск PL-7 à. PL-7 i à 1 PL-7 * PL-7 cc PL-7 PL-7 È Ч У ч ^ PL-4 w a: о о о

PL-7 i PL-7 1 PL-7 PL-7 : PL-7 PL-7

■ ' PL-3 4 ^ PL-7 PL-7 PL-7 f PL-3 \

4 GsV =>t-2 ч У PL-6 PL-6 PL-6

У V 1 ■os ч PL-5 PL-5 PL-5 _J •vV ' ' -i-PL-5 * . PL-5 % Pt -I X —

<D

<S>

IK.S-800X2

Ryc. 1. Schemat hali 1 oraz inwentaryzacja prçtow ukladu zdeformowanych termicznie [1] Fig. 1. Hall 1 scheme and the inspection of the heat-deformed structural bars [1]

Ryc. 2. Widok hali 1 po ugaszonym pozarze [1] Fig. 2. Hall 1 view after the fire [1]

Ryc. 3. Przestrzenne deformacje termiczne rygli ramy z profili IPN 400 (hala 1) [1]

Fig. 3. 3D thermal deformations of girts made of IPN 400 sections (hall 1) [1]

2. Identyfikacja uszkodzen pozarowych przykladowych hal przemyslowych

2.1. Hala 1

Omawiana hala jest obiektem parterowym nalez^cym do klasy konsekwencji zniszczenia CC2. Jest to budynek nie-podpiwniczony, o powierzchni zabudowy 77G m2 i kubaturze 57SG m3. Jego budowa zostala opisana w pracy [1]. Schemat stalowego ukladu ramowego hali wraz z systemem stçzen sciennych i stçzen dachowych pokazano na ryc. 1. Trwaj^cy wiele godzin pozar surowców chemicznych spowodowal ka-tastrofç budowlan^ stalowej konstrukcji nosnej hali terminalu przeladunkowego (por ryc. 2). Zniszczeniu ulegl dach budyn-ku, który zawalil siç w strefie intensywnego pozaru (ryc. 3). Wszystkie rygle ram nosnych ulegly duzym deformacjom termicznym, a znaczna czçsc obudowy hali wraz z ryglami sciennymi przestala spelniac funkcjç oslonow^. Stosunkowo dobrze przetrwaly pozar slupy glówne ram poprzecznych, które zostaly zdeformowane termicznie tylko lokalnie. Do pozaru doszlo latem, przy obci^zeniach dachu wywolanych wyl^cznie ciçzarem pokrycia blach^ trapezow^. W zwi^zku z tym zinwentaryzowane przestrzenne deformacje prçtéw maj^ charakter wyl^cznie termiczny.

2.2. Hala 2

Pozar instalacji technologicznej w hali 2 doprowadzil do katastrofy budowlanej stalowej konstrukcji nosnej dachu w nawie A-B budynku glównego elektrocieplowni. Budynek nalezy do klasy konsekwencji zniszczenia CC3. Zostal opi-sany w pracy [l]. Schemat rzutu poziomego budynku oraz przyjçte oznaczenia osi systemowych pokazano na ryc. 4. W strefie intensywnego pozaru zniszczeniu ulegla konstruk-cja dachu (ryc. 5 i ryc. б), która spadaj^c, nasilila skalç znisz-czen urz^dzen technologicznych. Do pozaru doszlo zim^, w trakcie silnych mrozów, przy slabo zasniezonych polaciach dachu z ciçzkim pokryciem z prefabrykowanych plyt betono-wych, które przyspieszyly katastrofç budowlan^. Utworzony „szyb wentylacyjny" pomiçdzy osiami 7-1G uchronil przyle-gl^ konstrukcjç nosn^ przed ogrzaniem powyzej temperatury pelzania stali. Przeprowadzone pomiary powypadkowe prze-strzennych deformacji geometrycznych elementów prçto-wych dachu w strefach przyleglych do osi 7 i 1G wedlug ryc. б nie wykazaly wartosci przekraczaj^cych tolerancji wykonania wedlug normy PN-EN 1G9G-2 [2]. Tolerancje wymiarowe wedlug normy [З] zostaly przekroczone tylko dla niektórych elementów obudowy scian w strefie pozaru.

2.3. Hala 3

Omawiana hala jest obiektem parterowym, dwunawowym, klasy konsekwencji zniszczenia CC2, niepodpiwniczonym, z niepeln^ obudowy scian, o powierzchni zabudowy 1314 m2 i kubaturze 12 337 m3. Do pozaru doszlo zim^ (ryc. 7) przy nie-zasniezonych polaciach dachu oraz silnych wiatrach. Trwaj^cy kilka dni pozar surowców wtórnych kilkakrotnie przygasal i rozgorzal ponownie. Przeprowadzona po pozarze inwenta-ryzacja uszkodzen elementów konstrukcyjnych wykazala, ze obudowç scian i pokrycie dachu z blachy trapezowej w calosci nalezy wymienic, poniewaz arkusze s^ zdeformowane, z uszko-dzonymi (sciçtymi) l^cznikami uszczelniaj^cymi i glównymi. Ponadto zostaly zdeformowane przestrzennie stçzenia prçtowe wiotkie pomiçdzy osiami 2-3 i 5-б oraz rygle scian zewnçtrz-nych w osiach B i E (ryc. S). Pozostale elementy nosne, czyli platwie dachowe i ramy poprzeczne, zostaly zdeformowane tylko lokalnie albo w ogóle nie doznaly deformacji termicznych widocznych golym okiem. Przyjmuj^c oznaczenie osi systemo-

D0I:10.12845/bitp.44.4.2016.4

2. The identification of fire-related damage in the exemplar industrial halls

2.1. Hall 1

The analysed hall is a one-floor, slab-on-grade building in the CC2 consequence class, with a developable area of 770 m2 and a volume of 5780 m3. Its design is described in [1]. A schematic depiction of the hall's steel frame layout, along with the system of wall and roof bracings, is shown in Fig. 1. A fire among chemical materials, lasting several hours, caused the collapse of the steel superstructure in the trans-shipment terminal (cf. Fig. 2). The roof sustained major damage and collapsed in the zone of extensive fire (Fig. 3). Thermal deformations occurred in every girt within the load-bearing frames, and a large part of the hall's sheathing, including wall girts, lost its shielding functionality. The main columns of transverse frames withstood the fire fairly well and only suffered local thermal deformations. The fire broke out in the summer, with the roof loads resulting exclusively from troughed sheet used as the roofing. Therefore, the spatial deformations of the bars recorded in the inspection procedure were of a solely thermal nature.

2.2. Hall 2

The fire in the technological section of hall 2 resulted in the structural collapse of the steel superstructure of the roof in aisles A-B of the main CHP plant building. The building belongs in the CC3 consequence class and is described in a publication [1]. A schematic drawing of the floor plan of the building and the adopted designations of the system axles are presented in Fig. 4. In the high-fire zone, the roof structure was destroyed (Figs 5 and 6) and, in falling down, added to the damage of the technological equipment. The fire broke out in winter, in freezing temperatures and with a light snow cover on a roof heavy laden with prefabricated concrete slabs which contributed to the structural collapse. The "air shaft" between axles 7-10 provided protection to the adjacent superstructure against heating above the steel creep temperature. The post-accident measurements of the spatial geometric deformations of the roof's bar components in the zones adjacent to axles 7 and 10, as shown in Fig. 6, did not reveal any values in excess of the manufacturing tolerances as per PN-EN 1090-2 [2]. Dimensional tolerances in line with standard [3] were exceeded only for some components of the wall sheathing within the fire zone.

2.3. Hall 3

The analysed hall is a one-floor, two-aisle, slab-on-grade building in the CC2 consequence class with incomplete wall sheathing; developable area: 1314 m2, cubature: 12337 m3. The fire broke out in winter (Fig. 7) during strong winds and with the roof surfaces not covered by snow. The fire among recyclable materials which lasted several days would repeatedly die down, only to flare up again. The inspection of damage to the structural components revealed that the wall sheathing and the roofing troughed sheets should be completely replaced because the sheets were deformed, including damaged (cut off) sealing and main connectors. Spatial deformations also occurred in structural-rod pliant bracings between axles 2-3 and 5-6, and the girts in the external walls in axles B and E (Fig. 8). In other load-bearing elements, i.e. roof purlins and transverse frames, deformation occurred only locally, or no thermal deformation visible to the naked eye was found. With the designation of the system axles adopted as shown in Fig. 9, Table 1 contains a list of the geometric imperfections

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

wych wedlug ryc. 9, w tabeli 1 zestawiono zinwentaryzowane po pozarze imperfekcje geometryczne uszkodzonych elemen-tow prçtowych ram poprzecznych i podluznych hali.

of the damaged structural-rod components in the transverse and longitudinal frames of the hall, listed in the inspection procedure after the fire.

JfiDOO- 9000 ,,9000 ,g000|.7500 JUmysumj

1 Ш5РО|1500Д ] ] J.J.150C

щ да r9000 AggQjtZSOa £OQQr9QOO r900D .£000.7500

TT

T

©-©-©-©-©-

!/

\

1

I I I I M I и

t'i'i-rrt-i'-i-rr

4- —1—i—i—t- 4 4-1—É-4- -4

J / l\ L44-4 / I \ I .. 4-1 -,-i-Ü 4-1- _

I II II II

1-rrrt'l-t-rf

i—i-4-4—i—i-

TT

I I

14 I Ii I ¡1 i 1

r-L-L _ , . T -- - . , T ;

i i

i i i i i i i i i i i i

i i i i

i i i i

i i i i

i i i i

[ i i i

.i444-.L.1444-Li44.4-.Li44..

t

21x7500=157500

Ryc. 4. Rzut poziomy dachu budynku glownego (hala 2) [1] Fig 4. The roof plan of the main building (hall 2) [1]

Ryc. 5. Zniszczony w pozarze dach maszynowni hali 2 pomifdzy osiami 7-10 [1] Fig. 5. The roof of the machinery area in the fire-destroyed hall 2, between axles 7-10 [1]

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Ryc. 6. Inwentaryzacja prçtow dachu zniszczonych w pozarze (hala 2) [1] Fig. 6. The inspection of the roof bars destroyed in the fire (hall 2) [1]

Tabela 1. Inwentaryzacja deformacji geometrycznych prçtow ram hali 3 po pozarze Table 1. The inspection of the geometrical deformations of hall 3 bars after the fire

Rama nr/ Frame No. Element/ Component Rodzaj imperfekcji/Type of imperfection Kierunek/ Direction Wartosc/ Value Tolerancja wg/Tolerance according to EN 1090

Rama 1/Frame 1 slup/column 1E wygi^cie lukowe/bow deflection ec fi,o slaba os/weak axis z-z 90 mm h 750 = 12 mm

Rama 2/Frame 2 rygiel/girt pofalowanie pasa/ waving flange A os pr^ta/axis of the bar x-x 20 mm b 100 = 3 mm

Rama 6/Frame 6 rygiel/girt wybrzuszenie srodnika/ deforma-tion of the web A os pr^ta/axis of the bar x-x 45 mm 100 = 10 mm

Ramy/Frames B; E rygle/girt wygi^cie lukowe/bow deflection e fi,o silna os/strong axis y-y 30-50 mm l 500 = 12 mm

¿rodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

3. Programy naprawcze badanych hal

3. The repair programmes for the analysed halls

3.1. Kryterium niezawodnosci konstrukcji metalowych w warunkach pozaru

Warunek niezawodnosci (kryterium R wg Eurokodu 3 lub 9) w przypadku ogolnym ekspozycji pozarowej w okresie t przyjmuje postac:

(1)

gdzie: £fid - wartosc obliczeniowa efektu oddzialywan w sy-tuacji pozarowej, okreslona wg normy PN-EN 1991-1-2 [4], z uwzglçdnieniem termicznych efektow rozszerzalnosci i deformacji; Rfidt - odpowiednia nosnosc obliczeniowa w sytu-

3.1. The criterion of reliability of steel structures during fire

The criterion of reliability (the R criterion as per Eurocode 3 or 9) in a general case of exposure to fire during period t, is as follows:

(1)

where: End - the calculation value of the effect of impacts in a fire event, as per PN-EN 1991-1-2 [4], with the thermal effects of expandability and deformation included; - the appropriate calculation load capacity in a fire event. The ef-

2016.4

acji pozarowej. Efekty oddzialywan wyznacza siç dla czasu t — 0, uwzglfdnizj^o vcsjoolci^ymEiki koir:ilt)1oi^cj^ Whcb ^k zgodnie z PN-EN 1991-S-2.W dopu:zcooeom prtet normi [5-6] podejw s(o tuacjipozarowejmoznawyznacza^stosujoc c^owteimrç r—o dukcjc ofakoowZ^ uzyskenych z analizy konatnukdii no tormne-mlurz^nzom<i^cE wgwzorui

12)

fects of impacts are determined for time t = 0, taking into account coefficient ratios of VUor f>i, as per PN-EN1991-1-2. Accordingtothesimplifiedapproachpermittedbystandards [5-6], the effectsofimpacts E& d^na Ireeventaan be determi-nedthrough tae aa>propriats loduatioo of dtedes E olctiiin^<0 inthe analysis of thestructureatnormaO temperatures, with theOollrwieg formula:

Efi:0=?/ij4p

0i

Wykresy funlzcji weetn—zdonika redukcyjnego )fi oo ^a-iezno:ci rd iZiEzzckfi d4min^n^d)ii444^ nba/den zmienncch do i^^^^^o0(Uo^/^l1iidloE6EEnychwartosci wspolczynr ska kombf-doc^loe^o-^i=i^^1f^(ndaeo d normie [4],

Nosnosc obliczeniowa ^fidt = id. iXfidAe) jest funkcj^ charakterystyk geometrycznych Ad i obliczeniowych wlasci-wosci mechanicznych materialu X^dkreooonych zaoednoi: dq:

ce X k

— YM s

(3)

gdzie: Xk - wartosc charakterystycznawlasciwosciwytrzyma-^(^si^c^^ej lioi^ ini^^i^^^ooeui^t (opolnizn lu— EZ w temperado rzeotoczenia; k -wspolczynnikredukcyjny (X^/X^ wlasci-ivofic: dlerzymdoifiawoj ib „statej mrteriaiowed" s^cied^nefccii temperatury 9, XkQ - wartosc charakterystyczna cechy, zakz-na od temperatei 9:des_ ftrspoknynmd n ooeos-o w . rzy-padku ekspozycji termicznej trwaj^cej do 2 godzin, konwersja termiczna rzeczywistej lub umownej granicy plastycznoscif w temperaturze pozarowej q jest ok re(leue wocrem:

fie - ke • fk.

(o)

Analogiczna konwersja termiczna modulu sprçzystosci podluznej Eq w temperaturze pozarowej jest okreslona wzo-

rem: fl.

E9 = k9 • Ek (5)

Wartosci wspolczynnikow konwersji ke dla wlasciwosci mechanicznych stali konstrukcyjnych zostaly podane w nor-mie [5], a dla stopow aluminium w normie [6]. Przeprowa-dzona w p. 3 ocena trwalosci pozarowej analizowanej hali przemyslowej uwzglçdnia normowe wzory (1)-(5) przytoczo-ne wyzej.

Thegraplis of OCe functient fnr llie rrfeEtioncoefficient C fi, teoending oo tOe coerrtatien bttweenthe dsminantvaria-ble load: and ronotanr: and tor variou: eclutiof ^O^e

cesohitttioneotPciont f = f are provided in standard [4].

tSrnomnetational loahnapatiif dtst = R^ (Xfd nd)is the function of geometric characteristics Ad and the compu -tational mechanical properties of material Xfid defined with the correlation of:

keZi

Xit- kM Ë

(3)

where: Xk - isthe characteristicvalue ofthestrengthproperty orlolse kouuodmonnludnoeoiraPy/kOiEjU aSthetempoeatuse oftheenvironment; ke - the reduction coefficient (Xke/Xk)of rhe stionothpropnWy( (or lEe"motcriol can(ttn0Oeedendjng on the temperature 9, X^ - the characteristicvalue of the peoporty, kapondoit morie tempe ratoee moe tholoao cz-efficient. Inthecaseof thermal exposure of up to 2 hours, the thermalconversionofactual orconventionalplasticitylimit f inafiretemperature Qtakes the follow ing formula:

fe - ke • fk.

(4)

Similarly, the thermal conversion of the module of longitudinal resilience Eq in the fire temperature is expressed as:

Ee = ke • Ek (5)

The values of coefficients of conversion ke for the mechanical properties of structural steel are specified in standard [6], and for aluminium alloys in standard [6]. The fire resistance of the analysed industrial hall was assessed with regard to the standard-compliant formulas (1-5) listed above.

Ryc. 7. Pozar hali 3 Fig. 7. The fire in hall 3 Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Ryc. 8. Widok hali 3 po pozarze Fig. 8. A view of hall 3 after the fire. Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

Ryc. 9. Schemat hali 3 - przyjfte oznaczenia osi systemowych Fig. 9. A schematic view of hall 3 - the adopted denotations of system axles Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

IPCCTEflOBAHIPyiM PBClSBITiLiO

ER Ol: 1 tl.nc 8P5/bitp.W.P.fOZ6.P

3.2. Kryterianiezawodnosci hal stalowych uszkodzonych w pozarze

Dlugotrwale dziulanietemperatury na konstrukcjç stalo-w^ wpozauzerozwiniçtym, jak wprtypadku giaii B, ptowudpi do eliESycB 4LsestrzeEpyeh daCormecji jssaeEâve i dyipTelifi-kacji calej konstrukcji. Przyklad hali 3 wskazuje jednak, ze mozliwc sejmne tceeariusze puKiru - w kiorytti prçty -am ettnych i ieh zlovzo mtntaEuwa uizkadzent lylku lrRtlnir w jednej plaszczyznie - w rozumieniu kwalifikacji imperfek-cji o bliczeniowychwgniraahPN-EN 19P8-1-1 [7].

Imhea-aPala iikrine pu[odnnczncE prptow w no/mie [E] zostaly zdefiniowane w posta ci wst4pnychwy-ipa .s^p^tb1.^1. prçtow ^ontychi ce wp-tnsei wzg^dnep sPrz^H^ wogigcia ao/ir wyipyayfikrwanei PiaEl/pciu klas ip:^lEPI^;B^УcIiev^^bIicУS 5.1 cy-towanej normy. Nie ma zadn^hpczgzzkoc^ abE wproiefaaa1 uzttoniamn ya^i sCotowyeh jeo pozarae sprawelzap wczunRi nosnoaci poiedpnczycU pettow ram z uwzoOfdnieniem zin-wentaryzowanych, ponadno rma—wnych ttwa P^1 wygi^ lu-ppwych s;fio] KoO-etium niezawodnzsci cp frwelyrh pytuacj ach przieknowgnhpazyimujecptcOy po stac:

Ed<XRa Zi

g-nie: Wp e- wociasZ vpy-tu oddziulywuE wtCAaCpah sBtzocjacU obliczeniowych wg normy PN-EN 1990, Rd - odpowkdma noanosf oPHcoRniowa, (( e w(adVnznng(R statecznosa1 ogöZnvi iwePoccrma iuOzwichiH/ziai, e^^c^j'h wedlug propozycji wla-snej moEna eryrpzi0 wnorrm .

t

a

= O + a/ O2 - X2

(7)

Acr,

O = 0.5(1+ W + ) (8i

Wewzorze(8)oznaczono: A,W - pole powierzchniiwskaznik wytrzymalosci przekroju prçtandpowkdnio, ~pz -!^ntu^aact wzglçdna wedlup iwrm)' P N-EN 1943-1-1.

Bokalne svfbrzuszraia pozarowepasow i srodnikow rygli i slupow autorzy proponuj^ uwz^.dnté fizzy wykorzyzteair analogii formalnej pomiçdzg dePormupiptetmicznB saiuneZ ptBekrtlu a Pcfpcmacjo ZciineZ eiRnikaliiee p V<^orii cCanPw nadkrytycznych. Oznacza to, zewarunki nosnosci przekro-lpw ^dp formuHwene u uwzE^dmeukm rhcraTlacpstyB lofittt-pwniinili: At BjVVrig Aosno(o przekicju Tg w/ -zorzr 1C1[ w stanach proat ego sciskania lub zginania, ma wtedy postac:

ff

9d = NrO =Aaf/,aZf^Mo

Ra = Mro = Wz/,rzz f/Mo

(9)

(10)

3.2. The otiterio of reliability of steel halls damaged by the fire

Hieextendrdexposure of asteelstructure to hpgh tempe-optoon on aes astgi;rnond firae as was tioe case wifOhaU 1 s leaCe tomajor spatial deformations of the bars, putting outof action the eetita steuctuee. The eare os RaU r 1 dnea^ei^to,sl^onea elset orOoe lto sconarioe aes; tsoitsSPle ss wellt wiig tha bare eT bearingframesand theirfieldjoints damaged only locally in one pleeee- nn the sen ss of IhecsoesnmenPtfcomputalional tmptrPacSiodsunOer PNuEN 19<i;n-l- 1 iC],

Thelocal imperfections of single bars in standard [7] were definedeithe mital cropo) daeiettiona eg str^frtlo't gans,with she ttiofivt nselset ai daflhopion eJU seocSfieoi lor Ohr fis^o dosr ses of imperfection in Table 5.1 of the standard in question. °heoi wioi no enataoies p(e mspoatog Ehf foaioielnrer otta^ad tPhaadOt foiC scnelo anaono S)anr, tt^leir^g in^i^o i^i^foe^ntt^Ce permanent, excessive, curved deflections e, recorded in the in-appenion proceduret s|llen t^s2liLEie)ilSSnn l^riS^nS(sn tn durabk dos^c^jc noSuo^tie^issiian^lUen Oct as:

d,

(6)

whean^ - t^Ote violue^l^ i^Oea esnaf oh impacts inou^i^ble com-putationalscenariosas per PN-EN 1990, Rd - the appropriate comcutationa1 load canarstfi sp- ^ite i5;<tfteral sOobility oooffin ctee^s ^l)s^(^C<C^iega or waouings) for^f^a^ich the authors suggest the following eotmulP:

1

a

= O +

V o2 - x2

Ac

O = 0.5(1+

W

+ )

(7)

(8)

Formula(8)indicates: A,W -theareaandstrengthindicator ofthecross-sectionofawire,respectively; X - relative slen-dernessasperPN-EN 1993-1-1.

oIsti authors suggeht siaatthefire-relatedbu^ingsof belts and webs in the girta i^nd columns can be accounted for by means offormalinteractionbetweenthe thermal deformation ofcross-section wallsand the deformation ofwalls, as ftipulihed by Po teeoee oh s^¡lertsilliic;il alaiiii. li-in nne^n^ thattheconditionsfortheload capacity of cross-sections will To o:ce)Ot^!ind tlsrouah fsecioiulro nelt:ll ntt'el^lCach ni^í)nai:l:otSierae factueedia: Afi efCi^ajiei)• гt^(tin;ot c;lJ^Pl:ian oi ciioit nes:tisy Rs

in the formula c6), in states of simple compression or bending:

fy

Ra = A^a = A.f/.afff Mo

Iff

Ra = Mro = Wz/,rzz fio

(9)

(10)

gdzie f -wytrzymalosc nominalna stali wedlug normy [7], YMo - wspolczynnik nosnosci plastycznej wyspecyfikowany wnormie[7].

Alternatyw^konstrukcyjn^wobecanalitycznejweryfika-cji niezawodnosci (6) elementow lokalnie zdeformowanych w pozarze jest ich wzmacnianie.

3.3.Przykladowestrategieprogramow odbudowy

Uzdatnienie stalowych hal przemyslowych po pozarach wywoluj^cych katastrofç budowlan^, jak to mialo miejsce w przypadkach hali 1 i hali 2, wymaga odtworzenia pelne-goprzedsiçwziçciabudowlanego.Oznaczato miçdzyinnymi koniecznoscopracowania projektu budowlanego odbudowy,

where f isthe nominalstrength of steel as per standard [7], YMo - thecoefficient ofplastic load capacity specified in [7].

Astructuralalternativetotheanalyticalverificationofthe reliability(6)ofcomponentslocallydeformedinthefire isto reinforcethem.

3.3. Sample strategies for the reconstruction programmes

The structural improvement of a steel industrial hall after afirewhichcausedastructuralcollapse,aswas thecase with hallsl and2,requirestheentireconstruction projectto be restored.Thismeansthatabasicdesign mustbepreparedand apermitobtained forthereconstructionand further imple-

uzyskania pozwolenia na odbudowy i dalej realizaj pro-gramu odbudowy na podstawie opracowanej dokumentacji wykonawczej. Pierwsza faza cyklu inwestycyjnego, czyli projekt budowlany, ma szczególne znaczenie z punktu widzenia strategii uzdatniania budynku. Wynika to z faktu, ze wszyst-kie stalowe hale przemyslowe o tradycyjnej konstrukcji oraz wi^kszosc hal wielkogabarytowych nowej generacji byly pro-jektowane wedlug norm krajowych, dlatego cz^sto posiadajy one znaczne ukryte rezerwy nosnosci.

Jedna z mozliwych strategii odnowy uszkodzonych lub zniszczonych w pozarach stalowych budynków polega na tym, ze dokonuje si§ redefinicji wymagan niezawodnosci wedlug rekomendacji Eurokodu PN-EN 1990 [8]. W monografii [1] postuluje si§ wprowadzenie obowiyzkowego opracowania przez projektanta w ramach projektu budowlanego dodatko-wego dokumentu - karty niezawodnosci, której przykladowy wzór przytaczamy w tabeli 2. Sposób korzystania z przywola-nego szablonu przedstawiono nizej.

Hala 1

Omawiana hala byla budynkiem nowym, o podwyzszo-nym ryzyku zagrozenia pozarowego, który zaprojektowano wedlug norm krajowych na obciyzenia klimatyczne, o okre-sie powrotu 50 lat. Pomimo masywnej konstrukcji nosnej (slupy i rygle ram z dwuteowników walcowanych IPN 400), zabezpieczonej powlokami ogniochronnymi zapewniajycymi odpornosc ogniowy R30, juz po pierwszych kilku miesiycach eksploatacji budynek zostal zniszczony przez pozar. Projekt odbudowy calej hali oparto na zmodyfikowanych zalozeniach:

a) tania i lekka konstrukcja stalowa, klasy konsekwencji zniszczenia CC2,

b) skrócony okres amortyzacji (30 lat dla kategorii 3. okresu

uzytkowania hali),

c) podwyzszone standardy w zakresie czynnej ochrony po-zarowej,

d)wdrozenie zabezpieczen systemowych, w tym systemów zapewnienia jakosci w zakresie zarzydzania i eksploatacji terminalu.

Zalozenia a) i b) sy wzajemnie zalezne i wiyzy si§ ze skrócony do 30 lat prognozy obciyzen zmiennych. Obciyzenia klimatyczne, przyj^te w projekcie odbudowy wedlug rekomendacji Eurokodu 1, wymagaly korekty uwzgl^dniajycej skrócony okres eksploatacji. Zastosowane w obliczeniach statycznych wspólczynniki konwersji obciyzen klimatycznych nä zaznaczo-no w tabeli 3 wytluszczony czcionky. Przytoczone z monografii [1] wspólczynniki wyprowadzono dla róznych okresów powrotu n z odpowiednich formul ekstrapolacyjnych z Eurokodu 1.

Hala 1 w zmodyfikowanej wersji zostala odbudowana i jest ak-tualnie eksploatowana zgodnie z opracowany karty niezawodnosci.

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

mentation of the reconstruction programme on the basis of detailed design documentation. The first stage of the project cycle, the basic design, is of vital importance when it comes to the improvement strategy for the building. This is because all steel industrial halls with regular structures and most of the new-generation large area halls were designed to national standards, so they often possess substantial reserves of load capacity.

One of the possible strategies for the restoration of steel buildings damaged or destroyed in fires involves the redefining of reliability requirements in line with the Eurocode recommendations in PN-EN 1990 [8]. The monograph [1] stipulates that designers be required to draw up an additional document forming part of the basic design - a reliability card, a sample template of which is provided in Table 2. The manner in which the template should be used is presented below.

Hall 1

The analysed hall was a new building subject to an increased fire hazard risk, designed in line with the national standards on climate loads, and characterised by a 50-year load return period. Despite its massive superstructure (IPN 400 columns and frame girts made of rolled steel joists), secured by fireproof layers with R30 fire-resistance characteristics, the building had been in service for only a few months before sustaining serious damage from a fire. The entire hall was reconstructed on the basis of a modified set of principles:

a) low-cost and lightweight steel structure in the CC2 consequence class,

b) depreciation period shortened to 30 years for the hall Cat-3 service period,

c) improved standard of active fire protection,

d) deployment of system-based protections, including quality assurance systems with regard to the management and use of the terminal.

Items a) and b) are interrelated and entail a forecast of variable loads spanning a period reduced to 30-years. The climate loads adopted in the reconstruction design in line with Eurocode 1 recommendations had to be adjusted to account for the shortened period of use. The nd coefficients for the conversion of climate loads used in the static computations are listed in Table 3 in bold. The coefficients referred to in monograph [1] were derived for various n return periods from appropriate Eurocode 1 extrapolation formulae.

In its modified version, Hall 1 has been reconstructed and is now used in accordance with the prepared reliability card.

Tabela 2. Przyklad karty niezawodnosci budynku o konstrukcji stalowej [1] Table 2. An example of a reliability card for a building with a steel structure [1]

1. Zalozenia projektowe/Design assumptions

Jednostka projektowa/Design office:

Projektant/Designer:

Klasa konsekwencji/ Consequences class CC1 CC2 CC3

Klasa niezawodnosci/Reliability class RC1 RC2 RC3

Kategoria projektowego okresu uzytkowania/Design working life category

1 2 3 4 5

Okres uzytkowania konstrukcji nosnej [lata]/Design working life for main structure [years]

do 10 10+25 15+30 50 100

Okres uzytkowania obudowy [lata]/Design working life for sheeting [years]

do 10 10+25 15+30 50 100

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Odpornosc pozarowa budynku/Fire resistance of building

Kategoria zagrozenia ludzi Hazard category to humans ZL I ZL II ZL III ZL IV ZL V

Klasa odpornosci pozarowej / Fire resistance class A B C D E

Odpornosc ogniowa szkieletu The fire-resistance rating of the building frame R 240 R 120 R 60 R 30 0

Kategoria uzytkowania dachu / The category of roof use

A B C D E

Klasa konstrukcyjna obudowy / The structural class of the sheathing 1 2 3

Stal na konstrukcjf The steel for the structure S235 S275 S355

Stal na obudowç / The steel for the sheathing S250GD S280GD S320GD

2. Wypis z dokumentacji wykonawczej An extract from the as-built documentation

Jednostka projektowa/Design unit

Projektant/Designer

Wykonawca konstrukcji Structure contractor

Wykonawca obudowy Sheathing contractor

Klasa wykonania / Execution class EXC1 EXC2 EXC3 EXC4

Kategoria produkcji / Production category Kat. uzytkowania / Service category

PC1 PC2 SC1 SC2

3. Wymagania eksploatacyjne / Performance requirements

Obciqzenie pomostow / Platform loads Obciqzenie pomostow / Load due to snow

qk [kN/m2] sk [kN/m2]

Uwaga: Odsniezanie dachu wg opracowanej instrukcji odsniezania / Snow removal according to the prepared instructions

Tabela 3. Wartosci wspolczynnikow konwersji dla oddzialywan klimatycznych [1] Table 3. Values of conversion coefficients for climate loads [1]

Okres powrotu [lata] Return period [years] Wspolczynnik konwersji/Conversion factor nd

Obci^zenie/Load

snieg/snow sk wiatr/wind vb temperatura/temperature

T T .

(1) (2) (3) (4) (5)

10 0.70 0.90 0.91 0.74

15 0.77 0.93 0.93 0.81

25 0.87 0.96 0.96 0.89

30 0.90 0.97 0.97 0.92

50 1.00 1.00 1.00 1.00

100 1.13 1.04 1.04 1.11

Hala 2

Budynek glowny elektro cieplowni byl eksploatowany b ez-awaryjnie przez okres okolo 30 lat, zatem nie bylo podstaw do negatywnej oceny jego niezawodnosci w trwalych i przejscio-wych sytuacjach projektowych wg [8]. Program naprawczy oparto na odtworzeniu zniszczonej konstrukcji wedlug za-chowanej autorskiej dokumentacji projektowej. Ze wzglçdu na piln^ potrzebç odbudowy nawy maszynowni oraz brak modelu komputerowego 3D budynku, obliczenia kontrolne ograniczono do analizy statycznej 2D w sytuacji wjtkowej pozaru powtarzalnej ramy plaskiej, pokazanej na ryc. 10. Rozbudowany schemat statyczny tej ramy uzasadnia przyjçte uproszczenia obliczeniowe. Budowa modelu komputerowego 3D wymagalaby czasu, ktorego uzytkownik nie mial, ponie-

Hall 2

The main building of the CHP station had been used without any failures for around 30 years, so there were no grounds for questioning its reliability in the permanent and transitional design scenarios as per [8]. The repair programme was based on the restoration of the destroyed structure in accordance with in-house design documentation. Given the urgent need to restore the aisle of the turbine section and with no 3D computer model available for the building, control computations were limited to a 2D static analysis of an emergency fire event, with a repetitive plane frame shown in Fig. 10. A simplified approach to the calculations is justified by the extended static diagram of this frame. The user could not devote the time necessary to prepare a 3D computer mo-

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

s=

7&7

+53.000

+48.000

+35,500

+34,600

+23,100

+9,900

+28,600

+21,000

750

750

■1,500

-y/rs-

30000

g ooo

9000

39000

0

® © (в)

®

Ryc. 10. Schemat statyczny powtarzalnej ramy plaskiej hali 2 [1] Fig. 10. Static diagram of the repetitive frame in hall 2 [1]

waz zagrozone byly dostawy ciepla i prydu dla duzej aglome-racji miejskiej w srodku sezonu zimowego. Inwentaryzacja powypadkowa nie wykazala trwalych deformacji przestrzen-nych prçtéw w ram osiach 7 i 10 wg ryc. б, przyleglych do strefy zniszczen pozarowych. Oznaczalo to, ze w tych osiach i dalszych, temperatura ogrzania konstrukcji stalowej w cza-sie pozaru nie przekroczyla temperatury pelzania stali. Odpo-wiedz mechaniczna ram w osiach 7 i 10, ogrzanych czçscio-wo lub w calosci do temperatury 300°C, z uwzglçdnieniem ciçzaru wlasnego, nie prowadzi do przekroczenia kryterium niezawodnosci (1) w przekrojach i prçtach konstrukcji.

Hala З

Omawiana hala w czasie pozaru byla budynkiem nowym (eksploatowanym kilka lat), o podwyzszonym ryzyku zagro-zenia pozarowego.

Budynek projektowano wedlug norm krajowych na obciyzenia klimatyczne o okresie powrotu 50 lat. Pomimo dlu-gotrwalej ekspozycji pozarowej, negatywne skutki dzialan termicznych wykazane w tabeli 1 sy niewielkie, w porówna-niu z uszkodzeniami wykazanymi dla hali 1.

Program odbudowy hali 3 oparto na rozpoznaniu nume-rycznym skutków równomiernego lub nierównomiernego ogrzania elementów konstrukcji stalowej do umownej tempe-ratury krytycznej stali 9 = 300°C, (por. model komputerowy pokazany na ryc. 11). Wyciyg z przeprowadzonych obliczen statycznych zamieszczono w tabeli 4, w której zestawiono war-tosci ekstremalnych naprçzen normalnych a9 w przekrojach wybranych prçtéw wedlug schematów z tabeli 5. Analizowano б przypadków symulacji komputerowych oddzialywan temperatury w czasie pozaru na konstrukcjç nosny hali (por. kolum-ny (2-7) w tabeli 4). Hala zostala wykonana ze stali S 355, dla której wartosc srednia granicy plastycznosci wedlug wlasnych badan statystycznych opisanych w monografii [1] wynosi:

R, = 398+410 MPa.

pl

Przy uwzglçdnieniu wspólczynnika konwersji granicy plastycznosci w przyjçtej temperaturze pozaru, o wartosci podanej w normie [5]: k9 = 1.0 oraz wspólczynnika nosnosci plastycznej -yMÍ = 1.0, kryterium niezawodnosci (1) w stanie granicznym nosnosci plastycznej (LS1) przybiera postac:

del, as this could have compromised the continuous supply of heat and power to a large agglomeration in the middle of the winter season. The post-accident inspection procedure did not reveal any permanent spatial deformations to bars in axles 7 and 10, as shown in Fig. 6, adjacent to the fire damage zone. This means that in those axles, and axles located further, the temperature to which the steel structure heated up during the fire did not exceed the temperature of steel creep. The mechanical response of the frames in axles 7 and 10, partially or fully heated to 300°C, dead weight included, did not cause the reliability criterion to be exceeded (1) in the cross-sections and bars.

Hall 3

At the time of the fire, the analysed hall still was a new building, used for several years, and facing an increased fire hazard.

The building was designed to national standards with regard to climate loads and a 50-year return period. Despite prolonged exposure to fire, the adverse effects of the thermal activity shown in Table 1 are minor compared to the damage found in hall 1.

The reconstruction programme for hall 3 was based on the quantitative identification of the effects of the even or uneven heating of the components of the steel structure up to the assumed critical temperature of steel 0 = 300°C (cf. the computer model in Fig. 11). An extract from the static calculations is provided in Table 4, which presents the values of extreme normal stresses a„ in the cross-sections of selected bars, in accordance with the diagrams from Table 5. The analysis covered six computer simulations of the impacts of temperature during the fire on the hall's bearing structure (cf. columns (2)+(7) in Table 4). The hall was made from the S 355 steel, for which the average plasticity limit, according to the authors' statistical surveys described in monograph [1], is: Rpl = 398+410 MPa.

With the coefficient of plasticity conversion limit taken into account in the adopted temperature of the fire, having the value specified in standard [5]: k0 = 1.0 and the coefficient of plastic load capacity y = 1.0, the reliability criterion (1) in the limit state of plastic load capacity (LS1) takes the following formula:

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Tabela 4. Ekstremalne naprfzenia normalne ae x kN/m2 w przekrojach wybranych prftow hali 3

Table 4. Extreme normal stresses a. kN/m2 in the cross-sections of selected bars in hall 3

e,x

Element hali Hall component Przypadek symulacji / Case of simulation G+W+(0 = 300 °C)

ogrzanie calej hali / the heating up of the entire hall ogrzanie skrajnych ram / the heating up of extreme frames ogrzanie dachu the heating up of the roof ogrzanie slupow do polowy / the heating up of the columns up to mid-height ogrzanie wewnftrznych ram / the heating up of the internal frames ogrzanie stfzen i rygli / the heating up of the bracings and girts

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

1. Rygiel ramy 1 / Frame girt 1 125 117 277 28 51 259

2. Slupy ramy 1 / Frame columns 1 527 445 707 27 131 736

3. Rygiel ramy 2 / Frame girt 2 175 127 148 47 88 39

4. Slupy ramy 2 / Frame columns 2 331 251 71 122 209 122

5. Rygle sciany 1 / Wall girts 1 107 107 31 36 35 145

6. Slupy sciany 1 / Wall columns 1 51 50 264 20 25 204

7. Ryglesciany E / Wall girts E 104 41 1 529 34 123 233

8. Stfzenia sciany E / Wall bracings E 48 40 302 8 111 229

9. Platwie / Purlins 236 415 383 55 444 95

10. Rygle sciany B / Walls girts B 129 447 673 39 45 340

Zrodlo: Op racowanie wlasne. Source: Own elaboration.

k e Rpi

cex < rra-fi = 398-110

СШ

k e Rpi

< Гъа = 398---110 MPa

СШ

Dkwartend cr0xzesta'vssiony(;li'vsstal)eH4kryterium (11) nie j est spelnione dla slupow ramy skoajnej dla c2^t^i^£^ctsirzant^cls przypadkow pozaru. Onacza to, ze anulizowane slupy byly i s^ nadal najbardziej zagrozonymi w pozarze elementami halz W drugk. kokjno^i za^ozonedeformacjami plasiycznymis^ ryoiz sei an ptoslleiitr^yclt> Stt tit(Si"itcCi lt;r)h^ztttc:n (1 li takse nir ]est ^jriatnione( Rezultnty tymutitccis domputerowyzh tlumazzEj udokumentowane po pozarze dcfozmzcjc pksiyk-nn stc](a cE i rerrtt:L sciais bocznycls B ist wid0!0 i^asl:e^ l.W przypadlrnu (i(ktrr(l d£(c]t.c'(r^nli( pomimo ircilat^niir enr-son-i-no ^oziosrii( n-pr^zen, nie da rc(o i^ntnak tio defomtznji plaslykznych: P((d wplywem temperaturypozaru, po zderzcmowaalu si( bkahy tlapozowel cosaycia dachu i scizciupoSacaeriglownrcnarku-cz00 bakd^ dolzfc. do osmany ^as^n^nneL1::! onzaycrncgo w0 dat cCaoi^c]r l ti(lr twoboУnnre t(ilti^z'i:^]:t;^;Sr secoicroycn:

drrolislet (sOIi uetoriay tseki cpaodo na zmodyfikowandch oeto-

zenkchjakdkhali1,wpunktacha)-ad1.ReouCtanazrntalcwli

^^odoclt obHoaeh ak tewalyAe^uacü °irojokto-

ovyc^la c okazano dk wybranyc- elameodow liiaii nea rya. 1 °. Wa-z unzko oannzaikcoekrojkcyglo tSa(my 2 t (000x 28Ost 1 a x 10 lk z pofalowanym jednostronnie pczem doinym (pot -abek 1 ] ma ^stac

f,\

yM0 +

m„

-AM

225 ■ 1,0 ■ 10 560 + 225 ■ 0,065

fyWff

355^160

= 0.151 <1.00

355■3935

-■1,0103

(12-

For valuesa^presentedinTable 4,criterion(11)wasnot met for the columns of the extreme columns in four different cases of fire. This means that theanalysed columns were and stillarethemostvulnerablecomponentsofahall struck by afire.Rate d secon d in terms of vulnerability to plastic deformations aire the girts oflcngitadinal walls, foc whicharitcricn (01) wan alto iitrl mel . The ratults o 0 comouter simulations anrgli-t: be trtai assisteiaiete in axpkiniog list; ckstiadoCermatecns of column 1E and of the bracings of side walls B and E, as slant. ig liable (. y(i ]:seLoa1l.i el^irornti^ai(inti ffhsggria01 e cauarep lii (toseii pm-lins, daspits She t^rsr^^Sv^l^ iirgg stresses. Aftec She nensrnduca0 defecmaSlou of the roofing troughedsheatand theautteng; off oO compacticcs fietcr^^^n^lic main nl^^^t^n on tho beastly, a chsnge ocnurrad no tlse utatk giagram of the roof itu:rtrn!^ anS than* foei nlrermal d^liormai:ioe^^.

The PoSI i*^corostisuci:roit assegai wcs based on modified hrincipleii as for tiaSt c, in poinds alodc. the ico^IscS utaSfc calcuktion s for durable design scenarios were presented for San cekrtod components of the haUm Rg. H. Thsloadcsasau ciib' cosiciitl(sn erf Ocame girl 2 (100) x 280 te SC si lP^wich che lowcc bsCh csrrugatec on oss side (cf SSclile 0l ctn da rc)res sented by the formula:

fyAf

M„

AM 225 4,0 ■ 10 560 + 225 ■ 0,065 ,

2м0 == ■--'. .. +__________1,0 ■103

355-160

= 0.4)51 <1 .00

355■3935

a=)

WaMunek niezawodnosci (12) w przekroj и rygk ramy 6 z wybrzuszonym srodnikiem dla Aea = ) 1С: cm2 - W^a 4e7c cze3 j^i't =akze 1j3e^r^^ony. Przebä-oj efektywny rygla

The reliabiliiy crsnditicrn =l(!)in tli^ dreei-sectionof frame ^irp6'wi^t^li a bulging webfor Aeff= 114 cm2 and Wff= 4075 cm3 it m^t2=a'wrlLThr e=fef-:1Tii^ c^rot)-iocp^rrn 1

Tabela 5. Wykaz elementow hali 3 uwzgl^dnionych w Tabeli 4, a0 [kN/m2] Table 5. The list of components of hall 3 included in Table 4, a0 r [kN/ m2l

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

1. Rygiel ramy 1 / Frame girt 1

2. Slupy ramy 1 / Frame columns 1

3. Rygiel ramy 2 / Frame girt 2

4. Slupy ramy 2 / Frame columns 2

5. Rygle sciany 1 / Wall girts 1

6. Slupy sciany 1 / Wall columns 1

7. Rygle sciany E / Wall girts E

8. Stçzenia sciany E / Wall bracings E

9. Platwie / Purlins

10. Rygle sciany B / Walls girts B

Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ

D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

Ryc. 11. Wyci^g z obliczen statycznych w trwalej sytuacji projektowej G+S+W Fig. 11. An extract from static calculations for a persistent G+S+W design scenario

Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.

ramy 2 uwzgl^dnia redukj szerokosci pasa dolnego do wy-miaru b/2 = 140 mm, a przekrój rygla ramy 6 - symetryczne oslabienie srodnika na wysokosci 0,7h = ~ 670 mm.

1 w

4. Podsumowanie

Obecnie w normach europejskich projektowania konstrukcji budowlanych zwraca si§ wi^kszy niz kiedys uwa-g§ na bezpieczenstwo pozarowe budynków. W wybranych cz^sciach Eurokodów zamieszczono nowoczesne, lecz dosc skomplikowane procedury obliczeniowe, które umozliwiajy przeprowadzenie mniej lub bardziej zaawansowanej analizy oddzialywan termicznych na konstrukj i jej odpowiedzi mechanicznej w sytuacji pozaru.

Jest to podejscie nowe w porównaniu z dotychczasowy praktyky projektowania konstrukcji stalowych, uwzgl^dniajy-cy tylko kwestie czynnej ochrony przeciwpozarowej i to tylko dla niektórych obiektów zagrozonych pozarem. W srodowisku projektantów konstrukcji stalowych jest dosc cz^sto wyrazany sceptyczny stosunek do praktycznej przydatnosci skompliko-wanych procedur zamieszczonych w Eurokodach [4-6]. W ar-tykule podj^to prób§ polemiki z takimi poglydami, wskazujyc na koncepcyjny charakter projektowania bezpieczenstwa poza-rowego konstrukcji metalowych. Projektowanie koncepcyjne to wielorakie strategie projektowania, zalezne od indywidual-nej sytuacji pozarowej. Takie podejscie jest rekomendowane w Eurokodach zarówno dla obiektów nowoprojektowanych, jak i dla licznych przypadków uzdatniania istniejycych budynków po przebytym pozarze. W artykule skoncentrowano si§ na tej drugiej grupie budynków, reprezentowanej przez trzy stalowe hale o zróznicowanej konstrukcji. Dla hali 1, w której po dlugi pozar rozwini^ty wywolal zniszczenia na duzy skal§, procedury obliczeniowe nie sy przydatne, natomiast mozliwa jest optymalna strategia projektowania bezpieczenstwa pozaro-wego. W hali 2 pozar mial charakter lokalny, a skala zniszczen pozarowych byla ograniczona. Dla tego przypadku procedury obliczeniowe zamieszczone w Eurokodzie [5] sy przydatne do

includes the decrease in the width of the lower belt to b/2 = 140 mm, and the cross-section of the bracing of frame 6 - a symmetrical weakening of the web at the height of 0.7hw = ~ 670 mm.

4. Summary

The current European standards for designing building structures now place greater emphasis on their fire safety. Several parts of the Eurocodes feature modern, though rather complex, calculation procedures which facilitate a more or less advanced analysis of thermal impacts on the structure and its mechanical response in a fire event.

As regards steel structures, this is a new approach, as compared to the previous practice of designing only active fire-protection measures, and only for selected structures facing fire hazards. Designers of steel structures often express their scepticism of whether the complex procedures provided for in Eurocodes [4], [5] and [6] have any practical use. The article sets out to challenge such views by indicating the conceptual nature of designing fire protection for steel structures. Conceptual design involves multifaceted design strategies, depending on a specific fire scenario. Such an approach is recommended in the Eurocodes for both newly designed structures and for the quite numerous cases of the structural improvement of buildings following a fire. The article focuses on the latter group of buildings represented by three structurally varied steel halls. For hall 1, where several hours of fire resulted in major damage, calculation procedures are of no assistance, but it is possible to apply an optimum strategy to design fire-protection measures. The fire in hall 2 was of a local nature and the resulting damage was minor. In this scenario, the calculation procedures included in Eurocode [5] proved useful for quickly assessing the effects of the fire in those areas of the building which were adjacent to the damage zone.

For hall 3, the reliability requirements were verified and use was made of the possibilities offered by the analytical

szybkiej oceny skutkow pozaru w strefach budynku przyle-glych do obszaru zniszczen.

Dla hali 3 przeprowadzono weryfikaj wymagan niezawodnosci oraz wykorzystano mozliwosci analitycznej oceny wplywu dlugotrwalej ekspozycji pozarowej na uszkodzenia termiczne calej konstrukcji stalowej hali 3.

Badania przedstawione w artykule zostaly przeprowadzo-ne w ramach dzialalnosci statutowej Wydzialu Inzynierii Lydowej Politechniki Krakowskiej.

Literatura / Literature

[1] Gwozdz M., Machowski A., Zwirek P., Wybrane zagadnienia niezawodnosci szkieletow stalowych budynkow, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Krakow 2013.

[2] PN-EN 1090-2. Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Czfsc 2: Wymagania techniczne dotyczyce konstrukcji stalowych.

[3] PN-EN 1090-3. Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Czfsc 3: Wymagania techniczne dotyczyce konstrukcji aluminiowych.

[4] PN-EN 1991-1-2. Eurokod 1. Oddzialywania na konstrukcje. Czfsc 1-2: Oddzialywania ogolne. Oddzialywania na

BiTP Vol. 44 Issue 4, 2016, pp. 51-66 D01:10.12845/bitp.44.4.2016.4

assessment of how extended exposure to fire contributes to thermal damage in the entire steel structure of hall 3.

The research presented in the article was carried out within the statutory activity of the Faculty of Civil Engineering at the Cracow University of Technology.

konstrukcje w warunkach pozaru.

[5] PN-EN 1993-1-2. Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Czfsc 1-2: Reguly ogolne - Obliczanie konstrukcji z uwa-gi na warunki pozarowe.

[6] PN-EN 1999-1-2. Eurokod 9. Projektowanie konstrukcji aluminiowych. Czfsc 1-2: Obliczenia konstrukcji z uwagi na warunki pozarowe.

[7] PN-EN 1993-1-1. Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Czfsc 1-1: Reguly ogolne i reguly dla budynkow.

[8] PN-EN 1990. Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji.

Artykul zostal przetlumaczony ze srodkow MNiSW w ramach zadania: Stworzenie angloj^zycznych wersji oryginalnych artykulow naukowych wydawanych w kwartalniku „BiTP. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza - typ zadania: stworzenie angloj^zycznych wersji wydawanych publikacji finansowane w ramach umowy 935/P-DUN/2016 ze srodkow Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyzszego przeznaczonych na dzialalnosc upowszechniajycy nauk§.

NV

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyzszego

prof, dr hab. inz. Marian Gwozdz - absolwent Wydzialu Budownictwa Lydowego Politechniki Krakowskiej. Od 1973 r. pra-cownik naukowo-dydaktyczny Wydzialu Inzynierii Lydowej Politechniki Krakowskiej, obecnie kierownik Katedry Konstrukcji Metalowych. Zajmuje si§ zagadnieniami nosnosci i niezawodnosci konstrukcji stalowych i aluminiowych. Od 2010 r. przewod-niczycy Komitetu Technicznego nr 128 ds. projektowania i wykonawstwa konstrukcji metalowych i zespolonych, Polskiego Ko-mitetu Normalizacyjnego.

prof. Marian Gwozdz, Ph.D. - a graduate from the Faculty of Civil Engineering, the Cracow University of Technology. Since 1973, a member of the research and teaching staff at the Faculty of Civil Engineering, the Cracow University of Technology; currently, Head of the Department of Metal Structures. His academic interests focus on the load capacity and reliability of steel and aluminium structures. In 2010, he became chair of Technical Committee No. 128 on the designing and manufacturing of steel and composite structures, the Polish Committee for Standardisation.

mgr inz. Piotr Wozniczka - absolwent Wydzialu Inzynierii Lydowej Politechniki Krakowskiej. Od 2015 r. zatrudniony na sta-nowisku wykladowcy w Katedrze Konstrukcji Metalowych Politechniki Krakowskiej.

Piotr Wozniczka, M.Sc.Eng. - a graduate from the Faculty of Civil Engineering, the Cracow University of Technology. Since 2015 a lecturer at the Department of Metal Structures, the Cracow University of Technology.

mgr inz. Anna Tkaczyk - absolwentka Wydzialu Budownictwa i Inzynierii Srodowiska Politechniki Swi^tokrzyskiej. W latach 2000-2009 zatrudniona na stanowisku projektanta w Biurze Budowlanym ANKRA Sp. z o.o., od 2009 - projektant w Biurze Budowlanym BAUKO S.C.

Anna Tkaczyk, M.Sc.Eng. - a graduate from the Faculty of Civil and Environmental Engineering, the Kielce University of Technology. In 2000-2009 employed as a designer at Biuro Budowlane ANKRA Sp. z o.o.; since 2009, a designer at Biuro Budowlane BAUKO S.C.