Abstract
Recent fire research into the behaviour of light gauge steel frame (LSF) wall systems has devel-oped fire design rules based on Australian and European cold-formed steel design standards, AS/NZS 4600 and Eurocode 3 Part 1.3. However, these design rules are complex since the LSF wall studs are subjected to non-uniform elevated temperature distributions when the walls are exposed to fire from one side. Therefore this paper proposes an alternative design method for routine predictions of fire resistance rating of LSF walls. In this method, suitable equations are recommended first to predict the idealised stud time-temperature pro-files of eight different LSF wall configurations subject to standard fire conditions based on full scale fire test results. A new set of equations was then proposed to find the critical hot flange (failure) temperature for a giv-en load ratio for the same LSF wall configurations with varying steel grades and thickness. These equations were developed based on detailed finite element analyses that predicted the axial compression capacities and failure times of LSF wall studs subject to non-uniform temperature distributions with varying steel grades and thicknesses. This paper proposes a simple design method in which the two sets of equations developed for time-temperature profiles and critical hot flange temperatures are used to find the failure times of LSF walls. The proposed method was verified by comparing its predictions with the results from full scale fire tests and finite element analyses. This paper presents the details of this study including the finite element models of LSF wall studs, the results from relevant fire tests and finite element analyses, and the proposed equations
چکیده
تحقیقات اخیر در ارتباط با رفتار سیستم های دیوار از نوع قاب فولادی در اندازه سبک (LSF) در برابر حریق ،منجر به توسعه قواعد طراحی در برابر حریق، بر اساس استانداردهای طراحی فولاد نورد سرد استرالیایی و اروپایی یعنی AS/NZS4600 و Eurocode3 ، بخش 1.3 شده است. بهرحال این قواعد طراحی پیچیده می باشند زیرا هنگامی که دیوارها از یک سو در معرض حریق قرار می گیرند وادار (Stud)های دیوارهای LSF تحت توزیع های دمایی بالا و غیر یکنواخت قرار می گیرند. بنابراین این مقاله یک روش طراحی جایگزین را برای پیش بینی های روال عادی درجه بندی مقاومت در برابر حریق، دیوارهای LSF پیشنهاد می دهد. در این روش، در ابتدا معادلات مناسب برای پیش بینی پروفیل های زمان – دمای ایدا آل شده 8 پیکربندی مختلف از دیوارهای LSF،تحت شرایط حریق استاندارد و بر اساس نتایج آزمون های حریق در مقیاس حقیقی ، ارائه می شوند. آنگاه یک سری معادلات جدید برای یافتن شرایط دمای بال داغ بحرانی (خرابی) برای یک نسبت بار معین، برای همان پیکربندی های دیوارهای LSF، همراه با فولاد با گرید و ضخامت مختلف، پیشنهاد شده اند. این معادلات بر اساس تحلیل های دقیق المان محدود که به پیش بینی ظرفیت های فشار محوری و زمان های خرابی وادارهای دیوارهای LSF ،تحت توزیع های دمایی غیر یکنواخت با فولادهای از گریدها و ضخامت های متفاوت توسعه یافته اند. این مقاله به ارائه یک روش طراحی ساده که در آن از دو مجموعه از معادلات توسعه یافته برای پروفیل های زمان – دما و دماهای بال داغ بحرانی استفاده شده است تا بتوان زمان های خرابی دیوارهای LSF را یافت. روش پیشنهادی با مقایسه پیش بینی های خویش با نتایج حاصل از آزمون های حریق در مقایس حقیقی و تحلیل های المان محدود، مورد تائید قرار گرفته است.این مقاله به ارائه جزئیات این مطالعه شامل مدل های المان محدود وادارهای دیوار LSF، نتایج حاصل از آزمون های حریق مرتبط و تحلیل های المان محدود و معادلات پیشنهادی می پردازد.
-1مقدمه
مقاطع فولادی نورد سرد شده، معمولا" در اشکال و پیکربندی های مختلف برای فراهم آوردن سیستم های دیوار قاب فولادی در اندازه سبک، (LSF )باربر بکار می روند. تحت شرایط حریق، مقاطع وادارهای فولاد نورد سرد شده ،بخاطر داشتن دیواره نازک، سریعا" داغ شده که این امر منجر به کاهش سریع مقاومت و سختی آنها می گردد. بنابراین، این مقاطع وادار معمولا" در سیستم های دیوار سازه های مسطح، همراه با لایه های گچی در دو طرف آنها به عنوان محافظ در برابر استفاده می شوند. لایه های گچی از وادارها فولادی محافظت نموده و به هنگام وقوع آتش در ساختمان، بالا رفتن دما در وادارها را به تاخیر می اندازند. از آنجا که دیوارهای LSF اغلب از یک طرف در معرض آتش قرار می گیرند، توزیع های غیر یکنواخت دما در عمق وادارهای دیوارهای LSF شکل می گیرند. این امر موجب لنگرهای خمشی اضافی در وادارها، بخاطر کمانش حرارتی، جابجا شدن تار و اثرات بزرگنمایی (magnification) می گردد. به این ترتیب در یک رویداد وقوع حریق، وادارهای فولادی جدار نازک، در معرض کنش های مرکب از فشار محوری و لنگر خمشی قرار می گیرند. این رفتار ناشی از حریق در پنل های دیوار LSF ،توسط بسیاری از محققان در گذشته مورد بررسی قرار گرفته است و چندین قواعد طراحیدر برابر حریق پیشنهاد شده اند...