Sensitivity Analyses of Probabilistic Thermo-Mechanical Fire Safety Assessment of Tunnel Linings

Autor: Chaves Spoglianti de Souza, Roberto
Přispěvatelé: Zehfuß, Jochen, Nigro, Emidio
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.24355/dbbs.084-202210121400-0
Popis: Fire safety structural analyses contain uncertainties related to the mechanical aspects, such as compressive strength and tensile strength, and the thermal aspects, such as conductivity, specific heat and fire loads. The uncertainties related to the mechanical aspects are explicitly considered by the applicable standards. However, the uncertainties related to the conductivity and specific heat are implicitly considered by the standards, while the uncertainties related to the fire loads are only considered in the German National Annex of the Eurocode 1991-1-2. Nevertheless, considering the severe nature of tunnel fires, these uncertainties must be incorporated into the design. The complexity of the stresses in a tunnel lining in fire can be determined by a probabilistic thermo-mechanical analysis as proposed in the methodology presented in this work. The methodology presented here to investigate the influence of thermal parameters on the fire safety of concrete structures in tunnels is based on the thermo-mechanical finite element analysis. The methodology includes the design of experiments executed by a Correlation Latin Hypercube Sampling. This work includes three case studies to illustrate the use of the proposed methodology. The second and the third studies contain reliability analyses to evaluate the probabilities of failure. The first case study uses an analytical thermo-mechanical analysis based on the 500 °C isotherm method. It considers the uncertainties related to the thermal and mechanical properties of the concrete, the soil load, and the temperatures described by the standard temperature-time curve. The results demonstrate the importance of incorporating the characteristic values of conductivity and specific heat in the semi-probabilistic structural fire design. The probability of failure is Pf = 3.1 × 10−3. The second case study is a probabilistic thermo-mechanical analysis of tunnels using the standard temperature-time curve. It considers the uncertainties related to the thermal and mechanical properties of the concrete, the soil load, and temperature. The probability of failure is Pf = 0.06. The third case study is a probabilistic thermo-mechanical analysis of the tunnel using natural fire calculated with CFast. It considers the uncertainties related to the thermal and mechanical properties of the concrete, the soil load, and the fire load. The probability of failure is Pf = 0.08. Although the natural fire in the third study results in higher temperatures than the standard fire in the second study, the difference between the failure probabilities of both case studies is smaller than expected. The reason for the small difference is probably that the effects due to the higher temperatures are compensated by the decay phase of the natural fire. The reliability assessments of both the second and the third case study show that the investigated structures do not meet the reliability requirements derived from the EN 1990 standard. Therefore, the structures would either need to be redesigned or more protective methods would need to be provided, such as the thermal boards or sprinklers. The conductivity, specific heat, and fire load are the parameters that correlate to the results the most. For the tunnel structural fire design, the following safety factors are recommended based on this work: γfi = 1.76 for the conductivity, γfi = 0.31 for the specific heat, and γfi = 1.8 for the fire load. Given the range of results of the fire safety analyses, the inclusion of the uncertainties is demonstrated to be necessary. The choice of failure criterion has a significant influence on the probability of failure and is, therefore, a critical step in the safety analysis. For the tunnel fire, the model must be improved to accurately account for the fast heating rate and the cooling phase of tunnel fires.
Analysen von Brandschutzstrukturen enthalten Unsicherheiten einerseits hinsichtlich mechanischer Kennwerte, wie Druck- und Zugfestigkeit sowie andererseits thermischer Faktoren, wie Leitfähigkeit, spezifische Wärme und Brandlast. Die Unsicherheiten in Bezug auf die mechanischen Aspekte werden in geltenden Normen bereits explizit berücksichtigt. Die Unsicherheiten in Bezug auf die Leitfähigkeit und die spezifische Wärme werden in den Normen hingegen nur implizit berücksichtigt. Die Unsicherheiten bezüglich der Brandlasten werden wiederum einzig im Deutschen Nationalen Anhang des Eurocode 1991-1-2 berücksichtigt. In Anbetracht der Schwere von Tunnelbränden müssen jedoch auch diese Unsicherheiten explizit mit einbezogen werden. Während eines Brandes wirken komplexe Spannungen auf eine Tunnelstruktur ein. Diese können durch eine probabilistische, thermo-mechanische Analyse erfasst werden, wie sie in der vorgelegten Arbeit entwickelt wird. Die hier vorgestellte Methode zur Untersuchung des Einflusses der thermischen Parameter auf die Brandsicherheit von Betonstrukturen in Tunneln basiert auf der thermo-mechanischen Finite-Elemente-Analyse. Die Methodik beinhaltet statistische Versuchsplanungen, die mit einem Correlation Latin Hypercube Sampling durchgeführt wurden. Um die Anwendung der vorgeschlagenen Methodik zu veranschaulichen, beinhaltet diese Arbeit drei Fallstudien. Die erste Fallstudie verwendet eine analytische thermo-mechanische Analyse, die auf der 500 °C-Isotherm-Methode basiert. Sie berücksichtigt die Unsicherheiten in Bezug auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Betons, die Bodenbelastung und die durch die Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) beschriebenen Temperaturen. Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Wichtigkeit ist sowohl Leitfähigkeit als auch spezifische Wärme als charakteristische Größen einzubeziehen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit beträgt Pf = 3,1×10−3. Die zweite Fallstudie ist eine probabilistische thermo-mechanische Analyse von Tunneln unter Verwendung der Einheitstemperaturzeitkurve. Sie berücksichtigt ebenfalls die Unsicherheiten im Zusammenhang mit den thermischen und mechanischen Eigenschaften des Betons, der Bodenbelastung und der Temperatur. Die Ausfallwahrscheinlichkeit beträgt in diesem Fall Pf = 0,06. Die dritte Fallstudie ist eine probabilistische thermo-mechanische Analyse des Tunnels unter Verwendung eines mit CFast berechneten Naturbrands. Sie berücksichtigt die Unsicherheiten in Bezug auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Betons, die Bodenlast und die Brandlast. Die Ausfallwahrscheinlichkeit beträgt hier Pf = 0,08. Obwohl der Naturbrand in der dritten Studie zu höheren Temperaturen führt als die Einheitstemperaturzeitkurve in der zweiten Studie, ist der Unterschied zwischen den Ausfallwahrscheinlichkeiten beider Fallstudien geringer als erwartet. Ursache hierfür ist wahrscheinlich die Kompensation der Effekte aufgrund der höheren Temperaturen durch die Abkühlphase des Naturbrandes. Die Zuverlässigkeitsbewertungen sowohl der zweiten als auch der dritten Fallstudie zeigen, dass die untersuchten Strukturen die Vorgaben an die Zuverlässigkeit durch die Norm EN 1990 nicht erfüllen. Daher müssten entweder die Struktur neu gestaltet oder mehr Schutzvorkehrungen, wie Thermoplatten oder Sprinkler bereitgestellt werden. Die Leitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Brandlast sind die Parameter, die mit den Ergebnissen am stärksten korrelieren. Für den baulichen Brandschutz von Tunneln werden auf Grundlage der hier entwickelten Methodik daher folgende Sicherheitsfaktoren empfohlen: γfi = 1,76 für die Leitfähigkeit; γfi = 0,31 für die spezifische Wärme; und γfi = 1,8 für die Brandlast. Angesichts der Bandbreite der Ergebnisse der Brandsicherheitsanalysen erweist sich die Einbeziehung der Unsicherheiten als wichtig. Die Wahl des Versagenskriteriums hat einen erheblichen Einfluss auf die Versagenswahrscheinlichkeit und ist daher ein wichtiger Schritt in der Sicherheitsanalyse. Für den Tunnelbrand muss das Modell verbessert werden, um die schnelle Aufheizrate und die Abklingphase von Tunnelbränden genau zu berücksichtigen.
Databáze: OpenAIRE
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