Consolidated Fire Analysis - Towards Coupled Numerical-Experimental Analysis of Fire-Exposed Structures with Stability Problems

Abstract

The development of design guidelines for civil structures with a safe and robust performance in the case of a fire requires profound knowledge of the behaviour of entire structures at high temperatures. The most reliable way to obtain the global structural response to fire are full-scale experiments, which are costly and time consuming. A Consolidated Fire Analysis (CFA) has the potential to complement full-scale experiments both cost- and time-efficiently. Still, present research efforts aim at validating the comparably novel coupled numerical-experimental analysis method and to develop reliable CFA frameworks that are able to cope with the specific difficulties inherent in structural fire tests. In a CFA, a large structure is decomposed into several substructures and the global structural response to fire is obtained by analysis of the substructures. Whereas one of the substructures is modelled numerically, the other substructure is tested experimentally, while the CFA framework consolidates the two substructures into one interacting coupled numerical-experimental model of the assessed structure. Usually, the part of a structure better understood is modelled numerically, while the part more complexly behaving is assessed experimentally to eliminate potential modelling errors. In a CFA, the response of the coupled model to fire can be obtained by solution procedures developed for solving numerical thermomechanical problems. However, to simulate strong nonlinear behaviour in the experimentally tested components requires dynamic solution procedures and advanced control systems for the experimental equipment. The present thesis aims to contribute to a better understanding of the requirements to a CFA framework for the analysis of large structures that exhibit fast load redistribution due to unstable load-bearing behaviour. The comprehension of possibilities and challenges of coupled numerical-experimental analyses requires multi-disciplinary knowledge. Preceding the main content of this thesis, the relevant basics of control theory, the finite element method (FEM) and currently existing coupled frameworks are introduced schematically. The issue of how to improve existing CFA frameworks is discussed by means of a comprehensive structural analysis problem posing several key challenges for the numerical-experimental thermomechanical analysis of structures. Said problem is analysed and the numerical difficulties it raises for a CFA are identified. Next, an enhanced CFA framework, which is designed to address the challenges of the problem, is described. The description contains an extensive explanation of the exchange of information between the components as well as the delineation of a newly developed software for establishing and coordinating the communication channels. The framework enables to automatically obtain the thermomechanical structural response in a CFA, including the control of an electric furnace and a uni-axial testing machine according to nodal temperatures, displacements and forces calculated in a commercial FEM software. To obtain the structural response, both static and dynamic solution procedures are applied and switched automatically according to the nature of the response. The developed CFA framework is tested by means of a small-scale steel structure. To assess the validity of the obtained results, three CFAs of the steel structure for different scenarios are repeated numerically and experimentally. It can be shown that the developed framework successfully handles the response of a structure comprising the thermally-induced dynamic buckling process of a steel column. Additionally, the performance of the CFA framework during the different analyses is assessed and discussed. The comparison of the results obtained by means of different analytical methods reveals good correspondence in the statically simulated solution segments. In the dynamically simulated segments, the results are slightly different from the numerical predictions because the developed and implemented CFA framework does not allow real-time dynamic control of the buckling process in the experimental substructure. The performance assessments show that the developed software components performed well. The bottleneck that prevents real-time dynamic control lies in the serial communication interfaces and the employed software, as well as the employed computer. Further development of the CFA framework in the present configuration is discouraged. The conclusions for successful implementation of thermomechanical CFAs obtained in the course of this research project enable the extension of the method for full-scale structures. Thus, the thesis contributes to paving the way for CFAs to become an economical complement for the assessment of the global structural response to fire.

Die Entwicklung von Bemessungsrichtlinien für Tragwerke, die im Brandfall sicher und robust bleiben, erfordert fundierte Kenntnisse über das globale Verhalten der gesamten Tragwerke bei hohen Temperaturen. Den zuverlässigsten Weg, dieses globale Verhalten eines Tragwerks im Brandfall zu bestimmen, stellen zeitaufwendige und kostspielige Grossbrandversuche dar. Mit Consolidated Fire Analysis (CFA) können Grossbrandversuche kosteneffizient und zeitsparend ergänzt werden. Aktuelle Forschungsbestrebungen zielen darauf ab, die Methode der experimentellen und numerischen Kopplung, welche vergleichsweise neu ist, zu validieren und CFA-Versuchseinrichtungen zu entwickeln, welche die den Brandversuchen eigenen Herausforderungen zuverlässig bewältigen. In einer CFA wird das zu analysierende Gesamttragwerk in mehrere Teiltragwerke zerlegt und anhand des Tragverhaltens dieser Teiltragwerke das Verhalten des Gesamttragwerks im Brandfall bestimmt. Dafür wird jeweils eines der Teiltragwerke numerisch modelliert und ein anderes experimentell getestet; die Versuchseinrichtung konsolidiert die Teiltragwerke zu einem interagierenden, numerisch-experimentell gekoppelten Gesamtmodell des betrachteten Tragwerks. Üblicherweise wird der Teil eines Tragwerks, dessen Verhalten gut verstanden wird, numerisch modelliert, während der Teil, der sich komplexer verhält, experimentell getestet wird, um so mögliche Modellierungsfehler zu vermeiden. In einer CFA kann das Verhalten des gekoppelten Gesamtmodells mittels numerischer Methoden bestimmt werden, welche für die Analyse thermomechanischer Probleme entwickelt wurden. Bei stark nichtlinearem Verhalten der experimentell getesteten Teiltragwerke müssen zudem dynamische Lösungsverfahren und Ansätze der Regelungstechnik für die Steuerung des Versuchsaufbaus verwendet werden. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Anforderungen an eine CFA-fähige Versuchseinrichtung für die Analyse von Gesamttragwerken besser zu verstehen, wenn es in einem Teil des betrachteten Tragwerks aufgrund der Brandeinwirkung zu Instabilitäten im Tragverhalten und schnellen Lastumverteilungen kommt. Um die Möglichkeiten und Herausforderungen gekoppelter numerisch-experimenteller Analysen zu verstehen, sind multidisziplinäre Grundlagen erforderlich. Vorliegend werden vor dem Hauptteil der Arbeit die relevanten Grundlagen der Regelungstechnik, der Methode der Finiten Elemente (FEM) und des aktuellen Entwicklungsstands von gekoppelten Versuchseinrichtungen für Brandversuche kurz zusammengefasst. Die Frage, wie man bestehende CFA-fähige Versuchseinrichtungen verbessern kann, wird anhand eines verständlichen statischen Problems diskutiert, welches mehrere der zentralen Herausforderungen an numerisch-experimentelle, thermomechanische Versuche von Tragwerken beinhaltet. Diese Fragestellung wird untersucht und die numerischen Herausforderungen die es an eine CFA stellt, werden hervorgehoben. In der Folge wird ein weiterentwickelter, CFA-fähiger Versuchsaufbau beschrieben, der die betrachteten Herausforderungen des beschriebenen Problems bewältigt. Die Beschreibung des Versuchsaufbaus beinhaltet die Erläuterung des Informationsaustauschs zwischen den einzelnen Bestandteilen und die Beschreibung einer eigens entwickelten Software, welche die nötigen Kommunikationskanäle bereitstellt und koordiniert. Der vorgestellte Versuchsaufbau ermöglicht es, das betrachtete Problem mit einer CFA automatisch zu untersuchen, einschließlich der Steuerung eines Elektroofens und einer einachsigen Materialprüfmaschine entsprechend den Knotentemperaturen, -verschiebungen und -kräften, welche in einer kommerziellen FEM Software berechnet werden. Zur Bestimmung des Tragverhaltens kommen sowohl statische als auch dynamische Lösungsverfahren zur Anwendung und werden von der entwickelten Software entsprechend den Echtzeitmesswerten automatisch gewechselt. Die entwickelte CFA-fähige Versuchseinrichtung wird an einer verkleinerten Stahlkonstruktion getestet. Um die Gültigkeit der erhaltenen Versuchsresultate zu beurteilen, werden die CFA Versuche für drei verschiedene Szenarien sowohl numerisch als auch experimentell wiederholt. So kann gezeigt werden, dass mit der entwickelten Versuchseinrichtung das Tragverhalten eines Tragwerks, in welchem durch einen Brand verursachte dynamische Knickprozesse auftreten, erfolgreich simuliert werden kann. Außerdem wird die Performance der CFA-fähigen Versuchseinrichtung während der Versuche bewertet und diskutiert. Die mit verschiedenen Analyseverfahren erhaltenen Versuchsresultate stimmen in den statisch berechneten Bereichen der Resultate gut überein. In den dynamisch berechneten Bereichen weichen die Versuchsresultate leicht von den numerischen Vorhersagen ab, da der entwickelte und implementierte CFA Versuchsaufbau keine Echtzeitregelung der Versuchsmaschine während des dynamischen Knickprozesses, der im experimentell getesteten Teiltragwerk auftritt, erlaubt. Die Auswertungen der Performance zeigen dagegen, dass die neu entwickelten Softwarekomponenten gut funktionieren. Das Nadelöhr im Versuchsaufbau, das eine dynamische Echtzeitsteuerung der Verschiebungen im Experiment verhindert, liegt in den seriellen Kommunikationsschnittstellen und in der für die Regelung eingesetzten Software sowie dem dazu verwendeten Computer. Eine Weiterentwicklung des CFA-Frameworks in der vorliegenden Konfiguration wird nicht empfohlen. Die Schlussfolgerungen für die erfolgreiche Implementierung von thermomechanischer CFA, die im Laufe dieser Arbeit gezogen wurden, ermöglichen die Ausweitung der Methode auf ein Tragwerk mit realen Abmessungen. Damit repräsentiert die Arbeit einen weiteren Schritt auf dem Weg von CFA, eine wirtschaftliche Ergänzung für die Bestimmung des globalen Tragverhaltens im Brandfall zu werden.