Structural integrity of plates and panels subjected to accidental fires

Abstract

Brann på offshore konstruksjoner kan få alvorlig konsekvenser. Et eksempel på dette er Piper Alpha katastrofen i 1986. Branndesign er ofte basert forenklinger og antakelser, noe som gjør det vanskelig å reflektere virkeligheten. Konstruksjoner som blir utsatt for høye temperaturer vil bli utsatt for termisk utvidelse. Dette skaper interne krefter i konstruksjoner som kan føre til at utsatte elementer knekker i et tidlig stadium av oppvarmingen. For at likevekt skal opprettholdes, blir kreftene omfordelt til andre bærende elementer.

Den konvensjonelle måten å simulere en konstruksjonsanalyse i tilfelle av brann er å løse problemet i temperatur-tid eller temperatur-last domene. Disse metoden er i stand til å forutsi om et sammenbrudd vil finne sted eller ikke, men gir lite informasjon om hvordan styrken svekkes over tid. Den forslåtte «pushdowm-metoden» gir denne informasjonen ved å utføre en serie av kapasitetsanalyser for ulike temperaturnivåer hvor termisk utvidelse er neglisjert. Metoden har blitt brukt med gode resultater på rammekonstruksjoner simulert i USFOS (Amdahl & Holmaas, 2014). Den har enda ikke blitt prøvd ut på platekonstruksjoner, slike som typisk finnes i en FPSO-skrogbjelke. Hensikten i denne masteroppgaven er å vise hvorvidt termisk utvidelse er en sekundær effekt på plateelementer så langt den ultimate kapasitet er i fokus ved bruk av ABAQUS.

Et brannscenario avhenger av mange ulike faktor, og et hvert tilfelle vil være av unik karakter. Dette gjør det vanskelig å skulle gjengi hva som skjer i virkelighet via numeriske simuleringer. I denne oppgaven er det antatt forenklede tilfeller, hvor brannen blir modellert som en temperaturbelastning jevnt fordelt over volumet. Konstruksjonene vurdert er et enkelt plateelement og et større panel med stivere, begge modellert fri til å ekspandere. For plateelementet ble den kritiske temperaturen funnet til være 580°C i temperatur-last domenet, som tilsvarer en avvikelse på 5% sammenlignet med resultater oppnådd ved pushdown-metoden. For panelet ble tre lastnivåer, tilsvarende 30%, 50% og 70% av total kapasitet, analysert i temperatur-last domenet. Den kritiske temperaturen ble estimert til å være henholdsvis 620°C, 570°C og 490°C. Resultatet tilsvarer et avvik på <5% sammenlignet med pushdown-metoden.

For å analysere branntilfeller mer tilnærmet virkeligheten, ble panelet vurdert for ulike caser av ujevn temperaturebelastning. Analysene viste seg å være mer komplekse sammenlignet med uniform temperaturpåkjenning, og simuleringene ble stoppet på grunn av numeriske problemer i temperatur-last-domenet. Dette skyldes termisk utvidelse av temperaturutsatte elementer, og deres interaksjon med sideelementer. Verken den kritiske temperaturen eller sammenbrudd av konstruksjonen ble nådd, og dermed var det ikke mulig å verifisere pushdown-metoden for disse tilfellene.

Som en endelig konklusjon er denne oppgaven et første skritt for å utføre foreslåtte løsningsbaserte metoder for plateelementer utsatt for brannpåkjenning. Pushdown-metoden er i stand til å forutsi den ultimate kapasiteten og hvordan den svekkes over tid for gitte tilfeller, men flere studier må utføres for å verifisere om metoden kan brukes på universell basis, også når temperaturbelastningen er ujevnt fordelt.

Accidental fires are events with severe catastrophe potential, demonstrated by the Piper Alpha catastrophe in 1986. Fire design is based on several assumptions and is often simplistic of nature. The analysis of the mechanical response of structural systems at elevated temperatures is not trivial. This is particularly due to the thermal elongation that takes place in structural steel. The thermal elongating creates significant internal forces and apparent redistribution of forces in the structure. Consequently, members are typically subjected to yielding or buckling in the early stages of heating.

The conventional temperature-time domain method is capable of predicting whether collapse will take place or not but gives little information about how the resistance and the strength reserve change over time. The proposed "pushdown method" solution provides this information by performing a series of ultimate strength analysis for several temperature levels with corresponding modified material properties. The pushdown method has been successfully applied to truss-work systems and space frame structures of topside modulus using USFOS (Amdahl & Holmaas, 2014). It has not been applied to assess the fire degradation of plate structures, such as those found in FPSO hull girders. The purpose of this master thesis is to show whether or not thermal expansion is a secondary effect in plate elements as far as ultimate resistance is concerned using ABAQUS software.

Predicting the response to accidental fires contains many uncertainties, starting with the fire itself. Simplified fire load conditions are considered in this paper. Two plate structures, a single unstiffened plate and a stiffened panel, was considered subjected to uniform fire loading. Both structures were modeled with equation constraints and free to expand. The critical temperature for the unstiffened plate was 580°C in the temperature-load domain, equal to a deviation of 5% compared to results obtained by the pushdown method. For the stiffened panel, three load levels corresponding to 30%, 50% and 70% of utilization, was analyzed in the temperature-load domain. The critical failure temperature was estimated to be 620°C, 570°C and 490°C, respectively, which corresponds to a deviation equal to <5% compared to the pushdown method. The results conducted in the load domain is close to those obtained in the temperature-load domain and confirms the validity of the pushdown method for plate elements subjected to uniform temperature load.

In order to reflect more real fire scenarios, a stiffened panel was considered subjected to nonuniform temperature load. These analyses tended to be more complex compared to uniform heating, and numerical problems forced the analysis to abort. The critical failure temperature and true global collapse were not reached and thereby making the comparison to pushdown not consistent.

As a final conclusion, this paper is a first step of performing proposed solution-based methods to plate elements subjected to fire loading. The pushover method is able to predict ultimate capacity assuming uniform temperature load, while more studies need to be conducted to verify the pushdown method for nonuniform fire load on plates.