The Reconstruction of Fire-Damaged Industrial Steel Halls

Cel: Opracowanie w ramach programu odnowy optymalnej strategii odbudowy uszkodzonych szkieletów nośnych stalowych hal przemysłowych po przebytym pożarze. Metoda: Analiza przypadków stalowych hal uszkodzonych w pożarze, różniących się konstrukcją, klasą konsekwencji zniszczenia, zasięgiem ekspozycji termicznej i skalą uszkodzeń pożarowych. Inwentaryzacja skutków pożarów w trzech analizowanych budynkach przemysłowych, należących do klas konsekwencji zniszczenia CC3 lub CC2, zdeterminowała koncepcje odbudowy hal w opracowanych projektach remontów. Wyniki: We wszystkich badanych przypadkach skutki pożaru uzewnętrzniły się w postaci mniej lub bardziej nasilonych imperfekcji geometrycznych: lokalnych i globalnych. Projekty wykonawcze remontów powypadkowych omawianych budynków opracowano na podstawie modelowania komputerowego układów prętowych płaskich lub przestrzennych, z uwzględnieniem udokumentowanych imperfekcji geometrycznych. Ocena niezawodności konstrukcji stalowej po pożarze jest wtedy możliwa według procedur zamieszczonych w Eurokodzie 3. W konsekwencji przyjętych strategii uzdatniania, budynki zostały przywrócone do eksploatacji niedługo po pożarze, a skutki finansowe przestojów awaryjnych zostały ograniczone do niezbędnego minimum. Wnioski: Na etapie projektowania nowych konstrukcji stalowych, o dużej kubaturze i stosunkowo niewielkim obciążeniu ogniowym, uzasadnione jest przeprowadzenie studium pogłębionej analizy oddziaływania pożaru na konstrukcję nośną, przy użyciu zaawansowanych modeli numerycznych MES. Drugą grupę budynków kubaturowych o konstrukcji stalowej stanowią istniejące hale stalowe, w których doszło do pożaru lokalnego lub rozwiniętego i uszkodzeń elementów konstrukcji. Strategia opracowania programu naprawczego obejmuje wtedy na ogół wymianę lub wzmocnienie elementów trwale zdeformowanych. Kwestią otwartą dla projektanta jest ustalenie zakresu koniecznych napraw i wzmocnień, który wynika z przyjętego modelu numerycznego w kontrolnych obliczeniach statycznych oraz akceptowanych przez użytkownika wartości imperfekcji geometrycznych konstrukcji. Dodatkowym ważnym czynnikiem, który należy uwzględnić w programie naprawczym, jest czas uzdatniania obiektu po pożarze, ponieważ każdy dzień przestoju awaryjnego oznacza zwykle dla użytkownika wymierne straty finansowe. Proponowane procedury obliczeniowe w zakresie modelowania i oceny niezawodności konstrukcji stalowych, wyprowadzone z rekomendacji Eurokodu 3, w wielu praktycznych przypadkach uszkodzeń pożarowych konstrukcji budynków halowych są wystarczające do oceny ich trwałości. Pracochłonne, całościowe specjalistyczne analizy konstrukcji MES, uwzględniające przepływy ciepła i wynikającej z tych przepływów przestrzennych deformacji stalowych elementów prętowych nie są w takich przypadkach konieczne.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. 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

Properties of post fire strongly desiccated organic soils in the Sobin-Jędrzychów object

Badania prowadzono na glebach popożarowych, znajdujących się w obrębie zdegradowanej łąki pobagiennej, obiektu Sobin - Jędrzychów. Pożar silnie przesuszonych płytkich gleb murszowych MtIIc1 był obserwowany w okresach wiosennych 2004-2006 na powierzchni kilkunastu hektarów. Dwa lata po pożarze pobrano próbki glebowe z 5 profilów (32 próbki). Jedna z gleb, reprezentowana przez profil nr 1, była dotknięta przez pożar powierzchniowy, a pozostałe – przez pożar wgłębny. Powodował on zmniejszenie miąższości poziomów organicznych oraz wykształcenie się poziomów popiołowych o miąższości od 1 do 20 cm. Popożarowe poziomy miały odczyn alkaliczny lub zbliżony do obojętnego. Gleby były wzbogacone w wapń, magnez, sód i potas, wykazując niekiedy zwiększoną zawartość metali ciężkich. Poziomy popiołowe lub wymieszane z popiołem tworzyły struktury agregatowe - gruzełkowate bądź koksikowe. Struktury te wyraźnie ograniczały zdolności retencyjne poziomów przepalonych w porównaniu z poziomami torfowymi i murszowymi. Zmniejszyła się zatem objętość wody dostępnej - w tym łatwo dostępnej - dla roślin w poziomach objętych przez pożar. Świadczą o tym małe wartości potencjalnej (PRU) i efektywnej (ERU0 retencji użytecznej. Na podstawie budowy profilowej gleb popożarowych klasyfikowano je jako murszowe, murszowate lub murszaste (PTG 1989). Na podstawie zawartości materii organicznej oraz miąższości poziomów organicznych i popiołowych, były one klasyfikowane jako Histic lub Humic Gleysols, niekiedy Histosols (WRB 2006).The study was carried out in strongly desiccated pyrogenic meadow soil situated in the Sobin - Jędrzychów object. Fire in strongly dried, shallow muck-peat soil MtIIc1 was observed in spring seasons 2004-2006 on the surface of several hectares. Two years after the fire (2008) soil samples were collected in five selected profiles (25 soil samples). One of the soils represented by profile no. 1 faced surface fire; profiles no. 2-3 and no. 4-5 represented underground fire of medium and strong intensity, respectively. The fire decreased the thickness of organic layers and formed shallow 1-20 cm thick ash horizons. Post fire horizons had a neutral reaction. The soils were enriched with calcium, phosphorus, magnesium, sodium and potassium and sometimes with traces elements. Ash horizons and those mixed with ash formed aggregate lumpy or coke-like structures. These structures had reduced retention properties compared to muck or peat layers. The amount of water available for plants decreased in soil horizons affected by fire as evidenced by small values of potential (PRU) and effective (ERU) useful retention. Based on the composition of post fire horizons the soils were classified as muck, mucky or muck-like soils (PTG 1989). Based on the organic matter content and the thickness of organic and ash layers they were classified as Histic or Humic Gleysols, sometimes as Histosols (WRB 2006)

Properties of organic soils in post fire forest areas – an example of Mikorzyce-Górowo object

Badania przeprowadzono na glebach leśnych, po pożarze, w pobliżu miejscowości Mikorzyce-Górowo w województwie dolnośląskim. Pożar na przesuszonych glebach organicznych obserwowano w 1986 r. na powierzchni kilkunastu hektarów. Próbki gleby zebrano z 4 wyznaczonych profili glebowych. Pożar zmniejszył miąższość poziomów organicznych i stworzył w glebie oraz na jej powierzchni poziomy z popiołem. Poziomy pożarowe miały kwaśny odczyn. Gleba była wzbogacona w wapń, magnez, sód i potas. Niektóre warstwy z domieszką popiołu miały ziarnistą strukturę. Na podstawie budowy morfologicznej oraz właściwości, gleby sklasyfikowano jako organiczne murszowe i organiczno-mineralne [PTG 2011]. Ze względu na zawartość materii organicznej, gleby klasyfikowano najczęściej jako Histic lub Humic Gleysols [FAO 2006].The study was conducted in burnt forest soils near Mikorzyce-Górowo. A fire over a few hectares of organic soil was observed in 1986. Soil samples were collected in 4 selected soil profiles which represented different intensity of fire effects. The fire decreased organic layer thickness and created soil layers with ash. Post fire soil horizons had strongly acidic and acidic reaction. The soil was enriched with calcium, magnesium, sodium and potassium. Layers with ash had grainy structured. Based on their morphology and properties, the soils were classified as muck and organicmineral soil [PTG 2011]. With regard to organic matter content, soils were most often classified as Histic, Humic Gleysols or Histosols with horizons enriched with ash [FAO 2006]

The Usability of a Computational Model of a Single Transverse Frame in the Fire Resistance Assessment of an Entire Steel Hall

Cel: Celem zaprezentowanych rozważań jest wypracowanie miarodajnej odpowiedzi na pytanie o wiarygodność stosowania modelu obliczeniowego pojedynczej ramy poprzecznej wyizolowanej ze złożonego ustroju nośnego hali stalowej w ocenie odporności ogniowej tej hali. Badanie zachowania się w pożarze pojedynczej ramy poprzecznej poprzez weryfikację kolejnych potencjalnie możliwych form jej zniszczenia umożliwia specyfikację poszukiwanej odporności interpretowanej jako określona dla tej ramy temperatura krytyczna, niezależna od przyjętego scenariusza rozwoju pożaru. Temperatura ta kojarzona jest jednoznacznie z osiągnięciem przez ustrój nośny analizowanej ramy stanu granicznego nośności ogniowej. Metody: Do specyfikacji temperatury krytycznej wybranej ramy proponuje się procedurę obliczeniową opartą na uogólnionej na przypadek pożaru formule Merchanta-Rankine’a. Kwantyfikuje ona miarodajną nośność badanej ramy poprzez interakcję odpowiednich nośności skojarzonych z czysto sprężystą i czysto plastyczną formą jej zniszczenia. Opisano ograniczenia wybranej przez autorów metody oceny wynikające z konieczności akceptacji wielu upraszczających założeń formalnych. Pokazano również, jak na otrzymane rezultaty wpływa stopień złożoności zastosowanego modelu obliczeniowego. Wyniki: Weryfikację i walidację proponowanej w artykule procedury obliczeniowej przeprowadzono porównując przemieszczenia wybranych węzłów ramy poprzecznej hali stalowej analizowanej dla warunków pożaru. Chodziło o sprawdzenie, jakiego typu i jak duże rozbieżności wynikają z zastosowania uproszczonego modelu dwuwymiarowego pojedynczej ramy w stosunku do wyników otrzymanych z analizy pełnego trójwymiarowego modelu ustroju nośnego całej hali. Wnioski: Wykazano, że uproszczony model obliczeniowy pojedynczej ramy poprzecznej hali stalowej jest wystarczająco wiarygodny w przypadku, gdy o odporności ogniowej tej ramy decyduje pierwsza faza pożaru, gdy nie ma jeszcze znaczącego przyrostu prędkości deformacji elementów nośnych. Jeżeli jednak badana rama zapewnia bezpieczne przenoszenie przyłożonych do niej obciążeń także wtedy, gdy mamy do czynienia z dużymi deformacjami i znacznym osłabieniem elementów decydujących o nośności ramy, to oszacowanie prognozowanej odporności na podstawie modelu ograniczonego do pojedynczej ramy poprzecznej może być nazbyt optymistyczne. Nie uwzględnia bowiem przyspieszania ugięcia rygla przez ogrzane w pożarze płatwie dachowe rozciągane osiowo wskutek tak zwanego efektu cięgna.Aim: The aim of these considerations is to achieve a reliable answer to the question about the credibility of the use of a simple computational model with a single transverse frame isolated from a complex load-bearing structure of an entire steel hall in the fire resistance-evaluation of such a hall. The study of the behaviour of a simple transverse frame under fire conditions through checking all its potential failure modes allows to specify the required fire resistance which can be interpreted as the critical temperature set especially for this frame and being independent of the fire scenario adopted for the analysis. This temperature is unequivocally associated with the reaching by the frame load-bearing structure of the fire-resistance limit state. Methods: The classical Rankine-Merchant formula generalised to the fire case is proposed to be used in the specification of the critical temperature for the transverse frame selected for the analysis. It quantifies the reliable bearing capacity of the tested frame through the interaction of the appropriate capacities associated with purely elastic and purely plastic failure modes. The limitations of the assessment method recommended by the authors are described in detail, resulting from the need for the acceptance of many formal assumptions simplifying the analysis. The impact of the complexity of the formal model adopted for the assessed frame fire-resistance evaluation on the obtained results is also verified. Results: Both the verification and the validation of the computational procedure proposed by the authors in this article were performed by comparing the displacements of the selected nodes in the transverse frame analysed for fire conditions. The idea was to check what type of differences are obtained through the use of a simplified two-dimensional computational model of a single frame in relation to the corresponding results obtained when a complex three-dimensional model of the entire hall is considered, and how big they are. Conclusions: It has been shown that the simplified computational model of a single transverse frame selected from the entire steel hall seems to be sufficiently reliable in the case in which fire resistance of such a frame is determined by the first phase of this fire, when the deformation rate of all bearing members is not yet significantly increased. However, if the tested frame also ensures the safe transfer of all loads applied to it when we are dealing with large deformations and large weakening of the members determining the real capacity of such a frame then the assessment of the predicted fire resistance obtained on the basis of the model limited to the analysis of only a single transverse frame might prove to be too optimistic. It does not account for the acceleration of the deflection of the frame beam due to the action of the heated purlins being in tension as a consequence of the so called catenary effect