Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella Palotutkimuksen päivät 2013 Antti Paajanen, Timo Korhonen, Merja Sippola ja Simo Hostikka, VTT
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 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 tapahtuvan kaasuvirtauksen ja termisen ympäristön yksityiskohtainen kuvaus mahdollistaa ajan ja paikan suhteen vaihtelevan lämpöaltistuksen ennustamisen Lämmönsiirto konvektio + säteily Palaminen
5 FEM-rakennemallinnus Finite Element Method (FEM) elementtimenetelmä likimääräinen ratkaisumenetelmä osittaisdifferentiaaliyhtälöryhmän reunaehtotehtävälle Yleinen menetelmä tarkasteltaessa rakenteiden muodonmuutoksia yms. Lämpötilajakauma Puristus Veto
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 FDS-ABAQUS kytkentä
Onko paloympäristön kuvaus edelleen toimiva? 28/08/2013 8 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 Time,"D-1", 0.0000000E+000, 2.0000000E+001, 5.0555458E+000, 2.5421329E+001, 1.0057467E+001, 2.5106743E+001, 1.5059388E+001, 2.4702658E+001, 2.0061310E+001, 2.8337940E+001, 2.5046360E+001, 2.8838175E+001, 3.0039536E+001, 2.8945528E+001, 3.5019890E+001, 2.9376715E+001, 4.0023529E+001, 3.1105242E+001, ABAQUS-reunaehto *Amplitude, name=amp-1 0.0000000E+000, 2.0000000E+001, 5.0555458E+000, 2.5421329E+001, 1.0057467E+001, 2.5106743E+001, 1.5059388E+001, 2.4702658E+001, 2.0061310E+001, 2.8337940E+001, 2.5046360E+001, 2.8838175E+001, 3.0039536E+001, 2.8945528E+001, 3.5019890E+001, 2.9376715E+001, 4.0023529E+001, 3.1105242E+001, 4.5053398E+001, 3.2533245E+001, Palo- ja rakennemallien diskretoinnit ajan ja paikan suhteen eroavat toisistaan tarvitaan reunaehtojen muunnos edellämainittujen diskretointien välillä Palomalli: suoraviivainen laskentahila Rakennemalli: jotain monimutkaisempaa
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 Lämpövuon siirto: kaksi esimerkkitapausta
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 vieressä ABAQUS-malli Kaksi elementtityyppiä DS4 & DC3D8 Yhteensä 73016 solmua 65818 elementtiä Reunaehto 14604 solmulle Laskenta-alue: 20 m 11 m 10 m Kesto: 30 s
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 Kehittäjät Antti Paajanen, Timo Korhonen, Merja Sippola ja Simo Hostikka Teknologian Tutkimuskeskus VTT Michał Malendowski Poznan University of Technology Renaud Gutkin Swerea SICOMP