Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section d'architecture, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en composites CCLAB)

Fire endurance of multicellular panels in an FRP building system

Tracy, Craig D. ; Keller, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3235.

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    Summary
    Fiber-reinforced synthetic polymers (FRP) are the building materials that may permit both the improvement of long-term building performance and the simplification of the construction process. Thanks to their high specific strength, low thermal conductivity, good environmental resistance, and their ability to be formed into complex shapes, FRP materials are well-suited to fulfilling many building functions. By integrating traditionally separate building systems and layers into single function-integrated components and industrially fabricating those components, the amount of on-site labor can be greatly reduced and overall quality can be improved. In order to profit from the advantageous qualities of FRP, however, it is essential to address the unique weaknesses and disadvantages of the material. Most notably, the problems of poor fire safety and high material costs must be overcome. In response to these challenges, a new multiple-story building system employing FRP materials is proposed. Within this system, fire safety is ensured through the use of an internal liquid cooling system, which circulates a cooling medium through the load-bearing FRP elements to maintain their temperature within a safe operating range. This system is made cost-effective through the integration of the building's heating and cooling system. By controlling the temperature of the circulating liquid, the building's structural elements can serve as heating or cooling emitters (radiators). Further, the addition of the liquid within the cells of the FRP elements helps maintain a more constant interior climate through the "thermal flywheel" effect, which improves energy efficiency and comfort. Experimental investigations were performed to explore the fire safety aspects of the proposed system. An existing FRP cellular bridge deck material was adapted to incorporate an internal liquid cooling system. After several preliminary investigations, large-scale experiments involving structural and fire loading were conducted on both liquid-cooled and non-liquid cooled specimens. The experiments demonstrated the efficacy of the system in protecting load-bearing FRP elements from the weakening effects of high temperatures, especially those that are stressed in compression. Structural fire endurance times were improved from less than one hour to more than two hours (EC1 Part 1.2) through the implementation of the liquid cooling system. Alongside the experimental program, a series of mathematical models were developed. Numerical thermochemical and thermomechanical models simulate the response of loaded liquid-cooled FRP panels in fire, while analytical models predict the post-fire mechanical behavior of fire-damaged sections. All models provide predictions that are within 10% of experimentally measured values.
    Zusammenfassung
    Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), als Baumaterialien eingesetzt, sind in der Lage sowohl die Bauwerksfunktionen dauerhaft zu verbessern als auch den Konstruktionsprozess zu vereinfachen. Dank ihrer hohen spezifischen Festigkeit, geringen Wärmeleitfähigkeit, guten Witterungsbetändigkeit und der Möglichkeit sie in zusammengesetzten Formen auszuführen, eignen sich GFK Materialien, vielfältige Bauwerksfunktionen zu übernehmen. Das Zusammenführen traditionell getrennter Bausysteme und Abschnitte zu funktionsintegrierten, industriell vorgefertigten Bauelementen veringerte die Arbeiten vor Ort erheblich und verbesserte die Qualität insgesamt. Um jedoch aus den vorteilhaften Eigenschaften des GFK Nutzen zu ziehen, ist es unerlässlich sich mit den einzelnen Schwächen und Nachteilen dieses Materials auseinanderzusetzen. Insbesondere die Probleme hinsichtlich des geringen Feuerwiderstands und der hohen Materialkosten müssen überwunden werden. Als Antwort auf diese Herausforderungen schlagen wir ein neues mehrstöckiges Bausystem aus GFK Materialien vor. Als Bestandteil dieses Systems sorgt ein internes Kühlsystem, welches eine Kühlflüssigkeit durch die lasttragenden GFK Elemente strömen läßt um die Temperaturen innerhalb eines sicheren Betriebsbereiches zu halten, für den notwendigen Feuerwiderstand. Durch die Einbindung des Heiz- und Kühlsystems in die Konstruktion kann das System wirtschaftlich hergestellt werden. Durch Temperaturänderung der Kühlflüssigkeit können die tragenden Bauteile zum Heizen bzw. Kühlen eingesetzt werden. Darüber hinaus hilft die Flüssigkeit in den Zellen der GFK Elemente, ein konstanteres inneres Raumklima durch den so genannten "thermal flywheel" Effekt aufrecht zu erhalten wodurch die Energie effizienter genutzt und die Behaglichkeit gesteigert wird. Um die einzelnen Aspekte des Feuerwiderstands zu erforschen wurden versuchsgestützte Untersuchungen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein bereits bestehendes zellenförmiges Brückendeckelement so umgebaut, dass ein internes Füssigkeitskühlsystem installiert werden konnte. Nach mehreren Voruntersuchungen wurde ein Großversuch unter jeweils flüssigkeitsgekühlten und trockenen Bedingungen durchgeführt, der sowohl statische als auch Brandlasten einschloss. Die Versuche zeigten die Wirksamkeit des Systems, lasttragende GFK Elemente vor dem sie schwächenden Einfluss hoher Temperaturen, besonders im Druckbereich, zu schützen. Die Feuerwiderstandszeiten des Tragwerks konnten so durch den Einsatz des Flüssigkeitskühlsystems von weniger als einer auf bis zu zwei Stunden erhöht werden (EC1, Teil 1.2). Neben dem Versuchsprogramm wurde eine Reihe mathematischer Modelle entwickelt. Numerische thermochemische und thermomechanische Modelle simulieren die Antwort belasteter flüssigkeitsgekühlter GFK Profile unter hohen Temperaturen während analytische Modelle das mechanische Verhalten abgebrannter Teilprofile abschätzen. Die Abweichungen der von den Modellen gelieferten Prognosen lagen innerhalb 10% der versuchstechnisch ermittelten Werte.
    Résumé
    Les matériaux composites en polymères renforcés par des fibres (FRP) permettent d'améliorer les performances à long terme des bâtiments et de simplifier le processus de fabrication. Grâce à leur haute résistance spécifique, faible conductivité thermique, bonne résistance aux actions environnementales et à leur capacité à être produits sous des formes complexes, les matériaux en FRP sont adaptés pour une utilisation multifonctionnelle dans le bâtiment. L'intégration de systèmes et de couches du bâtiment traditionnellement séparés en un composant unique à fonctions intégrées ainsi que la fabrication industriellement de ce composant, permet de réduire de manière considérable le temps de travail in-situ et d'améliorer la qualité de l'intégralité des travaux. Afin d'exploiter les nombreux avantages des matériaux en FRP, il est cependant essentiel d'adresser les faiblesses et les inconvénients propres au matériau. Notamment, les problèmes liés à la faible sécurité à l'incendie et le coût élevé du matériau doivent être surmontés. En réponse à ces défis, un nouveau système en FRP de bâtiment à plusieurs étages est proposé. Dans ce système, la sécurité au feu est assurée par l'utilisation d'un système de liquide de refroidissement interne qui circule par les éléments porteurs en FRP afin de maintenir leur température dans une plage de fonctionnement sûre. Ce système devient rentable en intégrant le système de chauffage et de refroidissement du bâtiment. En commandant la température du liquide de circulation, les éléments structuraux du bâtiment peuvent fonctionner en tant que chauffage ou émetteurs de refroidissement (radiateurs). De plus, la présence du liquide dans les cellules des éléments en FRP permet d'entretenir un climat intérieur plus constant par l'effet de "volant thermique", ce qui améliore l'efficacité énergétique et le confort. Des études expérimentales ont été conduites afin d'examiner le comportement au feu du système proposé. Un matériau cellulaire existant en FRP, utilisé pour les tabliers de pont, a été adapté afin d'y incorporer un système de liquide de refroidissement interne. Suite aux études préliminaires, des expériences structurales et d'incendie à grande échelle ont été conduites sur des éprouvettes sans et avec liquide de refroidissement. Les expériences ont démontré l'efficacité du système de protection des éléments porteurs en FRP sur leur dégradation sous hautes températures, particulièrement ceux sollicités en compression. Les durées caractérisant la résistance au feu exigée ont été améliorées en augmentant de moins d'une heure à plus de deux heures (EC1 partie 1.2) par l'introduction du système de liquide de refroidissement. Simultanément au programme expérimental, plusieurs modèles mathématiques ont été développés. Les modèles numériques thermochimiques et thermomécaniques permettent de simuler la réponse des panneaux en FRP réfrigérés par un liquide et chargés pendant l'incendie, alors que les modèles analytiques permettent de prévoir le comportement mécanique des sections brûlées après l'incendie. Les différents modèles fournissent des prévisions entre 10% des résultats expérimentaux.