Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella"

Päivi Saarnio
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella Palotutkimuksen päivät 2013 Antti Paajanen, Timo Korhonen, Merja Sippola ja Simo Hostikka, VTT

2 2 Tulipalon ja rakenteen vuorovaikutus Rakenteiden turvallisuus tulipalossa tiiviyteen, eristävyyteen ja kantavuuteen vaikuttavat tulipalon aiheuttamat vauriot materiaaleissa tulipalon aiheuttamat termiset ja mekaaniset kuormat Laskennallisella palo-rakenne-analyysillä pyritään ennustamaan rakenteiden lämpeneminen, muodonmuutokset, romahdukset, jne. EU-tutkimushanke FIRE-RESIST Uusien polymeerikomposiittien kehitystyö FDS2FEM ohjelmistotyökalu

3 3 Laskennallinen palo-rakenne-analyysi Mallinnusketju, joka voidaan jakaa neljään osatehtävään: 1. Tulipalon dynamiikka konvektiivinen- ja säteilylämmönsiirto 2. Materiaalien terminen vaste lämmönjohtuminen 3. Lämpökuormituksesta johtuvat materiaalivauriot johtavat mm. kantavuuden heikkenemiseen 4. Rakenteiden mekaaninen vaste muodonmuutokset ja romahdukset Palosimulaatiot CFD-ohjelmistoilla * Molemmat Rakenneanalyysit FEM-ohjelmistoilla ** Tarkoitukseen soveltuvaa yksittäistä laskentatyökalua ei ole. Analyysi voidaan toteuttaa kytkemällä kaksi itsenäistä ohjelmistoa.

4 CFD-palomallinnus Virtaukset Computational Fluid Dynamics (CFD) laskennallinen virtausmekaniikka neste- ja kaasuvirtausten numeerista ennustamista CFD-palomalli, eli kenttämalli palotilassa

4 4 CFD-palomallinnus Virtaukset Computational Fluid Dynamics (CFD) laskennallinen virtausmekaniikka neste- ja kaasuvirtausten numeerista ennustamista CFD-palomalli, eli kenttämalli palotilassa tapahtuvan kaasuvirtauksen ja termisen ympäristön yksityiskohtainen kuvaus mahdollistaa ajan ja paikan suhteen vaihtelevan lämpöaltistuksen ennustamisen Lämmönsiirto konvektio + säteily Palaminen

5 5 FEM-rakennemallinnus Finite Element Method (FEM) elementtimenetelmä likimääräinen ratkaisumenetelmä osittaisdifferentiaaliyhtälöryhmän reunaehtotehtävälle Yleinen menetelmä tarkasteltaessa rakenteiden muodonmuutoksia yms. Lämpötilajakauma Puristus Veto

6 6 Valitut ohjelmistot CFD-palomalli Fire Dynamics Simulator (FDS) FEM-rakennemalli ABAQUS tai ANSYS Onnistuu: paloympäristön ja rakenteen termisen vasteen kuvaus Ei onnistu: rakenteen mekaanisen vasteen kuvaus Onnistuu: rakenteen termisen ja mekaanisen vasteen kuvaus h Ei onnistu: paloympäristön kuvaus

7 7 FDS-ABAQUS kytkentä

terminen ja mekaaninen vaste ratkaistaan kahdessa peräkkäisessä FEM-analyysissä termiset reunaehdot saadaan palosimulaatiosta Palo- ja

8 Onko paloympäristön kuvaus edelleen toimiva? 28/08/ Yksisuuntaisen kytkennän periaate Ajetaan FDS-palosimulaatio tarkasteltavan rakenteen lämpöaltistus tallennetaan Rakenteen terminen ja mekaaninen vaste ratkaistaan kahdessa peräkkäisessä FEM-analyysissä termiset reunaehdot saadaan palosimulaatiosta Palo- ja rakennemallin välillä ei ole takaisinkytkentää rakenteen muodonmuutokset eivät näy palosimulaatiossa FDS2FEM Lämpötilajakauma Tulipalon dynamiikka 1 (FDS) Lämpövuo tai pintalämpötila Terminen vaste 2 (ABAQUS) Rakenne Mekaaninen vaste 3 (ABAQUS) Muodonmuutos

9 Termisten reunaehtojen siirto FDS-ABAQUS tiedonsiirto molemmissa ohjelmissa on tiedostopohjainen käyttöliittymä reunaehdot voidaan antaa peruskomentojen avulla FDS-tulostiedosto s,c,c,c,c,c,c

9 9 Termisten reunaehtojen siirto FDS-ABAQUS tiedonsiirto molemmissa ohjelmissa on tiedostopohjainen käyttöliittymä reunaehdot voidaan antaa peruskomentojen avulla FDS-tulostiedosto s,c,c,c,c,c,c Time,"D-1", E+000, E+001, E+000, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, ABAQUS-reunaehto *Amplitude, name=amp E+000, E+001, E+000, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, E+001, Palo- ja rakennemallien diskretoinnit ajan ja paikan suhteen eroavat toisistaan tarvitaan reunaehtojen muunnos edellämainittujen diskretointien välillä Palomalli: suoraviivainen laskentahila Rakennemalli: jotain monimutkaisempaa

FDS-tulostiedostoihin perustuen reunaehdot tallennetaan

10 10 Kytkentäprosessi käytännössä 1. Käyttäjä luo FDS- ja ABAQUS syötetiedostot Tarkasteltava rakenne on kuvattava molemmissa malleissa 2. Ajetaan palosimulaatio FDS tuottaa tiedostot, jotka sisältävät rakenteen lämpöaltistuksen 3. Ajetaan FDS2FEM ABAQUS-reunaehdot luodaan mallien geometrioihin ja FDS-tulostiedostoihin perustuen reunaehdot tallennetaan ABAQUSsyötetiedostoon ja erillisiin datatiedostoihin 4. Ajetaan rakenneanalyysi ABAQUS-malli on valmis ajettavaksi BNDF or DEVC file FDS2FEM External BC files FDS FDS input file ABAQUS input file ABAQUS

11 11 Lämpövuon siirto: kaksi esimerkkitapausta

12 12 Lämpövuon siirto: yksinkertainen geometria Kuution muotoinen kappale palotilassa FDS-malli ABAQUS-malli

13 Lämpövuon siirto: monimutkaisempi geometria FDS-malli 20 cm kuutiollinen hila Yhteensä 275 000 koppia Reunaehto 21210 solmulta Allaspalo lentokoneen rungon

13 13 Lämpövuon siirto: monimutkaisempi geometria FDS-malli 20 cm kuutiollinen hila Yhteensä koppia Reunaehto solmulta Allaspalo lentokoneen rungon vieressä ABAQUS-malli Kaksi elementtityyppiä DS4 & DC3D8 Yhteensä solmua elementtiä Reunaehto solmulle Laskenta-alue: 20 m 11 m 10 m Kesto: 30 s

14 14 Yhteenveto: FDS2FEM kytkentätyökalu Mahdollistaa palo-rakenne-analyysit FDS-ABAQUS ja FDS-ANSYS kytkennöillä Toiminta perustuu termisten reunaehtojen yhdensuuntaiseen siirtoon ohjelmien välillä pintalämpötila tai kokonaislämpövuo Yhdensuuntainen kytkentä ei edellytä muutoksia simulaatio-ohjelmiin Komentorivityökalu Windows ja Linux käyttöjärjestelmille tiedostopohjainen käyttöliittymä lähdekoodi: Fortran 90/95

15 15 Kehittäjät Antti Paajanen, Timo Korhonen, Merja Sippola ja Simo Hostikka Teknologian Tutkimuskeskus VTT Michał Malendowski Poznan University of Technology Renaud Gutkin Swerea SICOMP

Samankaltaiset tiedostot

Komposiittimateriaalien palomallinnus, osa B: CFD-FEA menetelmä ja sen kokeellinen validointi

TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Komposiittimateriaalien palomallinnus, osa B: CFD-FEA menetelmä ja sen kokeellinen validointi Palotutkimuksen päivät 2015 Antti Paajanen, Anna Matala, Timo Korhonen ja