Η παρούσα εργασία διερευνά τη συμπεριφορά των σύγχρονων συστημάτων ξηράς δόμησης σε συνθήκες πυρκαγιάς. Τα συστήματα ξηράς δόμησης αποτελούνται συνήθως από φέροντα μεταλλικά στοιχεία ψυχρής έλασης, εξωτερική επένδυση από γυψοσανίδες ή τσιμεντοσανίδες και ενδιάμεση θερμική μόνωση από πετροβάμβακα, υαλοβάμβακα ή άλλα θερμομονωτικά υλικά. Τα πλεονεκτήματα αυτών των συστημάτων έναντι των συμβατικών μεθόδων δόμησης είναι η μεγάλη ευελιξία τους στο σχεδιασμό, η ενεργειακή αποδοτικότητα τους καθώς και η μεγάλη ταχύτητα και το μικρότερο κόστος κατασκευής. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν τέσσερις παραλλαγές τέτοιων συστημάτων με μονή ή διπλή γυψοσανίδα, με ή χωρίς θερμική μόνωση. Χρησιμοποιήθηκε χάλυβας ποιότητας S320GD+Z και μέλη διατομής C με χείλη και δύο διαμήκεις νευρώσεις στον κορμό. Αερόκαρφα συνδέουν τις γυψοσανίδες με τα μεταλλικά στοιχεία, τα οποία εξασφαλίζουν παράλληλα το λυγισμό περί τον ασθενή άξονα της διατομής των στύλων. Η τυποποιημένη καμπύλη πυρκαγιάς που προβλέπεται στο πρότυπο ISO 834 επιβάλλεται στη μια όψη του τοίχου, προκειμένου να προσομοιωθούν κατάλληλα οι συνθήκες πυρκαγιάς, προκαλώντας έτσι ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας κατά μήκος της διατομής.

 

Το λογισμικό ANSYS χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της θερμοκρασιακής κατανομής σε δισδιάστατο περιβάλλον προσομοιώνοντας ολόκληρο το σύστημα γυψοσανίδα-μόνωση-μεταλλικά στοιχεία. Οι θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών εκφράζονται συναρτήσει της θερμοκρασίας τους, βάσει πρόσφατων ερευνητικών αποτελεσμάτων, ενώ για το χάλυβα λήφθηκαν σύμφωνα με τις προβλέψεις του Ευρωκώδικα 3, μέρος 1.2. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης μεταφοράς θερμότητας εισήχθησαν στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ADINA, ώστε να καταστρωθούν οι καμπύλες απομείωσης της φέρουσας ικανότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας ή/και του χρόνου. Το πεδίο του χρόνου χρησιμεύει για τον προσδιορισμό του δείκτη πυραντίστασης των στοιχείων και αξιοποιείται για παρατηρήσεις σε επίπεδο σχεδιασμού. Αντιθέτως, από το πεδίο της θερμοκρασίας εξάγονται τα βασικά συμπεράσματα της στατικής συμπεριφοράς των μελών, τα οποία απορρέουν από τα ποικίλα μεγέθη θερμοκρασίας που δύναται να αξιοποιηθούν, όπως μέγιστη θερμοκρασία, μέση θερμοκρασία κτλ.

 

Για τον προσδιορισμό των κρίσιμων φορτίων λυγισμού στους ορθοστάτες, πραγματοποιήθηκε γραμμική ανάλυση λυγισμού στο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων ADINA. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν από αντίστοιχη γραμμική ανάλυση λυγισμού με τη μέθοδο των πεπερασμένων λωρίδων που υλοποιήθηκε στο πρόγραμμα CUFSM. Τα σχήματα των ιδιομορφών λυγισμού χρησιμοποιήθηκαν ως αρχικές γεωμετρικές ατέλειες, για την εκτέλεση μη γραμμικών αναλύσεων γεωμετρίας και υλικού (GMNIA) υπό  την επίδραση αξονικού θλιπτικού φορτίου εφαρμοζόμενο στο κέντρο βάρους της αρχικής διατομής, τόσο με έλεγχο μετατόπισης όσο και με έλεγχο δύναμης. Κατά τη διαδικασία επίλυσης έγινε χρήση των αλγορίθμων Newton-Raphson και Arc-Length για επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. Έπειτα, τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τις προβλέψεις κανονιστικών μεθόδων, όπως είναι η εναλλακτική μέθοδος ¨Direct Strength¨ που προτείνει ο Αμερικάνικος κανονισμός και η μέθοδος ¨Ενεργού πλάτους¨, η οποία προτείνεται στον Ευρωκώδικα 3, μέρος 1.3, περί μελών ψυχρής ελάσεως.

 

Οι αναλύσεις των μεταλλικών ορθοστατών υπό συνθήκες πυρκαγιάς πραγματοποιήθηκαν τόσο για ομοιόμορφη θερμοκρασία, εντός της διατομής, όσο και για τις κατανομές θερμοκρασίας που προέκυψαν από τις αναλύσεις μεταφοράς θερμότητας των τεσσάρων συστημάτων τοίχου ξηράς δόμησης. Η θερμοκρασία κατά μήκος του μέλους θεωρήθηκε σταθερή σε όλες τις περιπτώσεις. Ο προσδιορισμός του ρυθμού απομείωσης της αντοχής έγινε με μη γραμμικές αναλύσεις GMNIA σταθερού αξονικού φορτίου και σταδιακά αυξανόμενης θερμοκρασίας (transient-state) όσο και σταθερής θερμοκρασίας και σταδιακά αυξανόμενου φορτίου (steady-state). Επιπρόσθετα, διαμορφώθηκαν διαγράμματα αλληλεπίδρασης αξονικής δύναμης-ροπής κάμψης υπό τριγωνικό και ομοιόμορφο διάγραμμα ροπής για διάφορες τιμές ομοιόμορφης θερμοκρασίας μέλους.

 

Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων επιβεβαιώνονται με αναλυτικούς και ημι-αναλυτικούς υπολογισμούς βάσει της μεθόδου του Ευρωκώδικα 3 και της direct strength αντίστοιχα. Ο Ευρωκώδικας 3 εξετάσθηκε σύμφωνα με τη μεθοδολογία που προτείνεται στο EN 1993-1-2, όσο και μιας τροποποιημένης μεθόδου που προτείνεται στη διεθνή βιβλιογραφία και βασίζεται στο πρότυπο ΕΝ 1993-1-3 χρησιμοποιώντας όμως απομειωμένες τιμές μηχανικών ιδιοτήτων του χάλυβα για κάθε εξεταζόμενη θερμοκρασία. Ομοίως ελέγχθηκε, ως μια άλλη προσέγγιση, η εφαρμογή της μεθόδου direct strength για το σχεδιασμό μελών σε συνθήκες πυρκαγιάς με χρήση απομειωμένων τιμών μηχανικών ιδιοτήτων για κάθε στάθμη θερμοκρασίας.

 

Τέλος, για την εξέταση της παραδοχής του Ευρωκώδικα, περί χρήσεως της μέγιστης θερμοκρασίας της διατομής σε περίπτωση ανομοιόμορφης κατανομής, συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων με ομοιόμορφη θερμοκρασία με αυτά που προέκυψαν για την ανομοιόμορφη θερμοκρασία και προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για το σχεδιασμό μεταλλικών μελών έναντι πυρκαγιάς με βάση τις αναλυτικές και ημι-αναλυτικές μεθόδους των κανονισμών.