Integrierte Brandverlaufs-, Erwärmungs- und Strukturverhaltenssimulation

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1 1/ von 22 Validierung von Brandschutzingenieurmethoden Integrierte Brandverlaufs-, Erwärmungs- und Strukturverhaltenssimulation 2/ von 22 Q & (t) r q& in ( ) T ( s) q& (x) r NIST FDS T ( x r ) ANSYS Thermal u( s) ANSYS Structural Ein Weg (3-Schritt-)Variante

2 3/ von 22 Brandversuch von CTICM* *FIRESTRUC, S. Kumar, B. Zhao, J.M. Franssen & Co., RFS-CR- 33, Dezember 26: Integrating advanced three-dimensional modelling methodologies for predicting thermo-mechanical behaviour of steel and composite structures subjected to natural fires 4/ von 22 Brandverlaufssimulation - Szenario Fire Dynamics Simulator (v5) Explizite Vorgabe des Brandverlaufs Q & Wahl der Ausgabegrößen & q ein, brutto t &SURF ID='burner',HRRPUA=683.4, RAMP_Q='HRR',COLOR='WHITE' / &RAMP ID='HRR',T=769.6,F=.8927 /... &BNDF QUANTITY='ADIABATIC SURFACE TEMPERATURE' / &BNDF QUANTITY='NET HEAT FLUX' / & 4 4 q& ein, brutto = ε σ ( TAST TREF ) + h ( TAST TREF ) TAST q ein, netto q& aus

3 5/ von 22 Brandverlaufssimulation - Ergebnisse Fire Dynamics Simulator (v5) 7 6 Direkte Beflammung 5 Gesamt Brandraum Waermestrom am Fenster HRR [kw] Konvektion Zeit [s] 6. 13,5 min 6,5 min z [m] Höhenprofil Rückseite der Stütze Temperatur [ C] 6/ von 22 Erwärmungssimulation - Randbedingungen ANSYS Thermal (v11) & FDS q ein, brutto ANSYS Thermal & FDS ANSYS Thermal q ein, brutto & q ein, netto & q ein, netto q& aus q& aus VARIANTE A VARIANTE B r r T ( x, t) T ( x, t) r ( r T x, t ) = q& ein, T ( x, t) = q& t ein, netto( FDS ) t 4 4 = σ ε ( T T ) + h AST ( FDS ) S netto FDS ( T T ) AST ( FDS ) S

4 7/ von 22 Erwärmungssimulation - Ergebnisse ANSYS Thermal (v11) Section 3 - UF 7 Einfluss der Wärmeabstrahlung 6 temperature [ C] NHF AST EXP time [s] 8/ von 22 Erwärmungssimulation - Ergebnisse ANSYS Thermal (v11) 8 Section 3 - EF Einfluss der Wärmeabstrahlung 7 temperature [ C] NHF AST EXP time [s]

5 9/ von 22 Erwärmungssimulation - Ergebnisse ANSYS Thermal (v11) Section 4 - UF 3 25 temperature [ C] UF (EXP) UF (NHF) UF (AST) time [s] 1/ von 22 Erwärmungssimulation - Ergebnisse ANSYS Thermal (v11) Section 4 - EF 3 25 temperature [ C] EF (EXP) EF (NHF) EF (AST) time [s]

6 11/ von 22 Strukturverhaltenssimulation - Randbedingungen ANSYS Structural (v11) VARIANTE A VARIANTE B 12/ von 22 Strukturverhaltenssimulation - Randbedingungen ANSYS Structural (v11) T UF T St T m,i T OF Temperatur aus Experiment

7 13/ von 22 Strukturverhaltenssimulation - Ergebnisse ANSYS Structural (v11) Knotenpunktverschiebung deflection [mm] Variante A Variante B time [min] 14/ von 22 Strukturverhaltenssimulation - Ergebnisse ANSYS Structural (v11) Materialgesetz Versagen Verformungsfigur M

8 15/ von 22 Cardington Normbrandversuch* physikalische Simulation der ETK: Soll- vs Fraktilwerte %-Fraktil ETK 5%-Fraktil ISO Furnace 5%-Fraktil M essung 95%-Fraktil Messung Zeit [min] 5 * Slimfloor Compendium, Report to Corus CSD, Document RT1147-Version 1, The Steel Construction Institute, April 28 Temperatur [ C] Mittelwerte (Berechnung) Mittelwerte (Messung) Zeit [min] 16/ von 22 Cardington Realbrandversuch* 7 Stahltemperatur 6 3 Temperatur [ C] FDS Experiment 'FDS korrigiert' Punkt 482 Berechnet Punkt 483 Berechnet Punkt 484 Berechnet Punkt 482 Gemessen Punkt 483 Gemessen Punkt 484 Gemessen Zeit [min] Zeit [min] * The Behaviour of a Multi - Storey Steel Framed Building Subjected to Fire Attack Experimental Data, Britisch Steel plc., Swinden Centre of Technology, 1998

9 17/ von 22 NIST/WTC-Investigation* *NIST NCSTAR 1-5B, WTC Investigation 18/ von 22 Lokalbrandversuche von Wakamatsu & Co.* R.B. an den Lagerungen? Modellierung der Decke Was wurde gemessen? *Wakamatsu, T. & Co.: Experimental Study on the Heating Mechanism of a Steel Beam under Ceiling Exposed to a Localized Fire, INTERFLAM 96, Cambridge, 1996.

10 19/ von 22 Validierung blindes Rechnen Problemstellung (z.b. Versagensrisiko einer Stütze im Brandfall) mathematische Abstraktion physikalische Abstraktion Berechnung Versuch C i ~ M i 2/ von 22 Validierung Nachrechnung von Versuchen Problemstellung physik. Abstraktion mathematische Nachempfindung C i ~ M i

11 21/ von 22 Validierung versuchsbasierte Hinterfragung von Rechenergebnissen Problemstellung math. Abstraktion physikalische Nachempfindung M i ~ C i 22/ von 22 Problematik Validierung: Zuverlässigkeit bei der Anwendung auf reale Aufgaben In der Fachliteratur dokumentierte Versuche sind Nachrechnungen oder blinde Rechnungen. Hoher Dokumentations(nachhol)bedarf! Keine programmgerechte Versuchsplanung. Programm soll Prognosen der realen Abläufe geben Programm soll DGLn numerisch mit einer best. Genauigkeit lösen DGLn sollen best. Leitvorgänge der Physik ausreichend beschreiben Die Leitvorgänge der Physik sollen die erwartete Realität möglichst vollständig beschreiben Die erwartete Realität soll die tatsäch auftretenden realen Abläufe abdecken d ϕ T = ϕ dt T t Programm reale Abläufe Programm = DGLn DGLn Leitvorgänge Leitvorgänge erwartete Realität erwartete Realität reale Abläufe

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