ACÉLSZERKEZETEK TŰZVÉDELME

2008 KÜLÖNSZÁM

Magyar Acélszerkezeti Szövetség lapja – Journal of the Hungarian Steel Structure Association A „BMW Welt” müncheni épületkomplexuma – az acélvázas építészet legújabb stílusirányzata

www.magesz.hu

(fotó: Domanovszky)

ACÉLSZERKEZETEK TŰZVÉDELME

•

Piaci trendek az acélszerkezet-gyártásban

•

Az acélépítészet csodája a „BMW Welt” kommunikációs központja

•

A hazai legmodernebb és legnagyobb tűzihorganyzóról

•

A Pentele híd próbaterhelése

•

Csavarozott kapcsolatok tervezése

•

Acél főtartós hidak tervezése az M6 autópályán

•

Nagyszilárdságú acélok alkalmazása

1142 Budapest, Erzsébet királyné útja 67. Tel.: 1/221-6114 • www.tszvsz.hu • [email protected]

Szövetségünk célja: •

A tűzvédelem területén dolgozó vállalkozók érdekeinek védelme és képviselete országos szinten

•

Közreműködés a jogszabályok kidolgozásában, véleményezésében, a tapasztalatok alapján javaslat a módosításokra

•

Szakmai és etikai ajánlások

•

A tagság tájékoztatása a jogszabályok változásairól, szakmai előadásokkal a jogkövetés segítése, a végrehajtás támogatása

•

Szakmai felkészítések, oktatások szervezése, a tagok „több lábon” állásának támogatása, tevékenységük bővítésének elősegítése

Bevonattechnikai Kft. 2030 Érd, Dunai utca 27/c, Iparterület Tel.: +36 23/521-100 Fax:+36 23/521-117 E - m a i l : k f t @ o s t o r h a z i . h u

Poliuretán feldolgozás GRACO berendezésekkel Eljárások: nehéz korrózióvédelem, hőszigetelés, tartós bevonatok, automatizált eljárások GRACO berendezések: értékesítés, szerviz, szaktanácsadás

Korrózióvédelem külső ipari környezetben, speciális bevonatok acél- és betonfelületeken Tűzvédő bevonatok készítése fémet, fát, műanyagot fölemésztő tűzzel szemben CSŐ KÜLSŐ ÉS BELSŐ BEVONATAINAK KÉSZÍTÉSE FESTŐAUTOMATÁKKAL

Ivóvíz csővezeték külső és belső bevonatainak készítése a Szabadság hídon

w w w. b e v o n a t t e c h n i k a . h u

Ostorházi

Maradandót alkotunk! A Lindab Proﬁl a Lindab Csoport egyik üzletága, amely hatékony, gazdaságos és esztétikus acél- és fémlemez megoldásokat fejleszt, gyárt és értékesít az építőipar számára. A Lindab kínálata a szerkezeti komponensek széles választékától a könnyűszerkezetes acél épületrendszerekig terjed, amelyek ipari, kereskedelmi és lakossági céloknak egyaránt megfelelnek. A Lindab Proﬁl több, mint 25 országban képviselteti magát Európa-szerte. Központi irodája a délsvédországi Båstadban található.

Eredeti svédacélból 2051 Biatorbágy, Állomás u. 1/A. Tel.: (23) 531-300, Fax: (23) 310-703

ELŐSZÓ Az elmúlt években a tűzvédelem témája egyre hangsúlyosabban ke rült előtérbe több sajnálatos esemény kapcsán. A világon nagyon sok helyen, számos kutatóintézetben, egyetemeken, cégeknél foglalkoznak a témával. A folyóirat jelen száma erre a témára koncentrál. Acélszerkezeteknél ez azért is hangsúlyozottan fontos téma, mert az anyag hőmérsékletének növekedésével az acél szilárdsági és merevségi jellemzői fokozatosan leépülnek. Az európai szabványok (EC3, EC4) feszültség–alakváltozás görbék formájában megadják ezen anyagok viselkedését egy meglehetősen tág hőmérsékleti tartományra. A tűznek kitett épület szerkezeteire mind mechanikai, mind termikus hatások érvényesülhetnek. A mechanikai hatások az önsúlyból és a járulékos terhekből származnak, melyek a tűz kitörésekor is már hat nak a szerkezetre. A termikus hatások követik a gáz hőmérsékletének növekedését a tűz terében és meghatározza őket a szerkezeti elemek felületén végbemenő hőátadás mértéke. A termikus hatások eredményeként a szerkezet hőmérséklete emelkedni fog. Ezt nevezik termikus reagálásnak, ami általában hőtáguláshoz és anyagkárosodáshoz vezet a szerkezet felhevült részeiben. A helyzettől függően, a hőtágulást valami megakadályozhatja, ami hőfeszültségek hez vezet. A mechanikai hatásokkal karöltve fontos alakváltozások történhetnek és az épület szerkezete, vagy azok részei még össze is omolhatnak. Ez a folyamat a mechanikai reagálás. A szerkezeti elemeknek a kemencében elvégzett vizsgálatok során megfigyelt, illetőleg a magasépítési keretszerkezetekben tapasztalható viselkedése között jelentős különbség van, azonban a teljes szerkezet viselkedését a gyakorlatban csak a részletes számítási modellekkel tudjuk megítélni. Az acélszerkezeteket hagyományosan úgy védik a tűztől, hogy az épí tés során hőszigetelő anyaggal burkolják be őket. Az EC3 azonban megengedi a megfelelő tűzzel szembeni ellenállás elérésére az aktív és a passzív védekezés módszereinek együttes alkalmazását is. A védett vagy védelem nélküli szerkezeti elemek hőmérséklet-növeke dését ki lehet számítani kis időnövekmények szerint. A módszer jól programozható táblázatkezelő szoftverekben. Nagyszámú szoftver áll rendelkezésre szilárdsági számítások, hőelosz lások meghatározására, szimulációk végzésére. Fontosak azon előírások, minősítési módszerek is, melyek segítenek a megbízhatóság elérésében. Az Acélszerkezetek Tűzvédelme szimpózium kötődik a DIFISEK+ prog ramhoz (Dissemination of Fire Safety Engineering Knowledge), mely nek keretében az ArcelorMittal Long Carbon Europe Research Centre vezetésével egy európai projekt folyik, melynek célja az acélszerkezeti tűzvédelmi kutatások eredményeinek elterjesztése. A projektben 18 partner vesz részt, egyetemek, kutatóintézetek, mérnökirodák. A szimpóziumon elhangzó előadások és a beküldött cikkek mind elmé leti, mind gyakorlati oldalról rávilágítanak a problémákra, hogyan lehet megbízható szerkezeteket tervezni, gyártani és üzemeltetni a tűzvédelem figyelembevételével hosszú távon. Dr. Jármai Károly

Acélszerkezetek KÜLÖNSZÁM 2008

Előszó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Acélszerkezetek termikus . viselkedése tűz esetén. . . . . . . . . . . . 2 Thermal Response of Steel Structures . in Case of Fire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Acélszerkezetek mechanikai . viselkedése tűz esetén.. Nyomott körcsőszelvényű rúd . optimális méretezése tűzállóságra . . 9 Mechanical Response of Steel . Structures in Case of Fire. Optimum Design for Fire Resistance . of a Compressed Strut of Circular Hollow Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Öszvérszerkezetek tûzállósága. . . . . . 13 Fire Resistance of Composite . Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Acélszerkezetek tervezése tűzteherre. az Eurocode 3 szerint. . . . . . . . . . . . . 17 Fire Engineering Design of Steel Structures with Eurocode 3. . . . . . . . 17 Szoftverek acélszerkezetek . vizsgálatára tűz esetén . . . . . . . . . . . 27 Softwares for Investigation . of Steel Structures in Case of Fire . . 27 A tűzvédelmi jogszabályok . változásai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Changes of Fire Safety Laws . . . . . . . 45 Acélszerkezetek tűzvédelme.. Tűzvédelmi festékrendszerek, . szórt bevonatok, burkolás . tűzgátló lapokkal. . . . . . . . . . . . . . . . 47 Fire Protection of Steel Structures.. Fire-protecting Paint Systems, . Sprinkled Coatings, Revetment . with Fire-protecting Sheets . . . . . . . . 47 Tűzvédőbevonatok készítésének . folyamata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Fire Retardant Coating Process. . . . . 51 Vékony falú acélszerkezetek tűzvédelme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Fire Protection of Light-gauge . Steel Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Felhabzó festékek . végeselemes modellezése . . . . . . . . . 59 Finite Element Approach of Steel . Structures’ Intumescent Coatings. . . 59

Magyar Acélszerkezeti Szövetség lapja – Journal of the Hungarian Steel Structure Association

w w w. m a g e s z . h u Kiadja a Magyar Acélszerkezeti Szövetség 1161 Budapest, Béla u. 84. Tel./fax: (1) 405-2187, E-mail: [email protected] Felelôs kiadó: Markó Péter Felelôs szerkesztô: Dr. Csapó Ferenc A szerkesztô munkatársa: Nagy József ISSN: 1785-4822 Készült: TEXT Nyomdaipari Kft. Dunaújváros, Papírgyári út 49., 2401 Pf. 262 Telefon: (25) 283-019, Fax: (25) 283-129 E-mail: [email protected]

Dr. Jármai Károly egyetemi tanár Miskolci Egyetem

Acélszerkezetek termikus viselkedése tűz esetén Thermal response of steel structures . in case of fire 1. BEVEZETÉS

INTRODUCTION:

Tűznek kitett épület szerkezeteire mind mechanikai, mind termikus hatások érvényesülhetnek. A mechanikai hatások az önsúlyból és a járulékos terhekből származnak, melyek a tűz kitörésekor is már hatnak a szerkezetre. A termikus hatások követik a gáz hőmérsékletének növekedését a tűz terében és meghatározza őket a szerkezeti elemek felületén végbemenő hőátadás mértéke. A termikus hatások eredményeként a szerkezet hő mérséklete emelkedni fog. Ezt nevezik termikus reagálásnak, ami általában hőtáguláshoz és anyagkárosodáshoz vezet a szerkezet felhevült részeiben. A helyzettől függően, a hőtágulást valami megaka dályozhatja, ami hőfeszültségekhez vezet. A me chanikai hatásokkal karöltve fontos alakváltozások történhetnek, és az épület szerkezete, vagy azok részei még össze is omolhatnak. Ez a folyamat a mechanikai reagálás. Ezt az eseményláncot mutatja az 1. ábra.

When exposed to fire conditions, a building construction is subjected to both mechanical and thermal actions. The mechanical actions follow from the dead weight and the superimposed loads, working on the structure at the moment of fire outbreak. The thermal actions follow from the increase of the gas temperature in the fire compartment and are governed by the heat transfer conditions at the surface of the construction elements. As a result of the thermal actions, the temperatures in the construction will increase. This is called “thermal response” and potentially leads to thermal elongation and deterioration of the mechanical properties in the heated parts of the construction. Depending on the situation, the thermal elongation may (partly) be restrained leading to thermal induced stresses. In combination with the mechanical actions, significant deformations may occur and - under circumstances - the building construction, or parts of it, may even collapse. This process is called “mechanical” response.

A tűzvédelmi tervezést, a tűz alatti fontos hatások számításait az 1. részben taglaltuk. A mechanikai reagálás ismertetése a 3. részben történik. Az alábbiakban – a 2 részben – a termikus reagálást részletezzük. A téma az acél-, a kompozit vasbeton elemekre korlátozódik, és az Eurocode [1], [2] előírásait vesszük figyelembe.

2. ALAPOK ÉS BEMUTATÁSOK A hőátadás egy épületrészben meghatározható a kö vetkező differenciálegyenlettel, melyet Fourier-féle diffe renciálegyenletnek nevezünk, a kezdeti határértékekkel és kiinduló adatokkal:

(1) ahol:

x, y, z Θ ρ c λ

koordináták hőmérséklet az x, y, z pontban sűrűség fajlagos hőkapacitás, fajhő hővezető képesség

[m] [˚C] [kg/m3] [J/kg] [W/m ˚K]

A hőegyensúly számításánál a hővezetési tényezőnek és a hőkapacitásnak, ami a sűrűség és a fajhő szorzata, van nagy szerepe.”

1. ábra: Ellenállás a tűznek – eseménylánc

Az (1) egyenletben arra tudunk következtetni, hogy az anyagok alábbi termikus tulajdonságai befolyásolják a tűznek kitett épületelemek hőmérsékletének emelkedését: – hővezető képesség, – fajlagos hőkapacitás. Általában kombinálják a fajhőt és a sűrűséget. Megjegyzés: a hőkapacitás mértékegysége: J/m3. A legtöbb építőanyag hővezető képessége és fajhője erősen a függ a hőmérséklettől. Ezt szemlélteti a 2. ábra acél és beton esetén.


2. ábra: Acél és beton fő hőjellemzői

A grafikonon 730 ºC-ig meredeken emelkedik az acél hőkapacitása, itt éri el a csúcsát, aztán bekövetkezik a fázisátmenet. A beton grafikonjának alakját a beton nedvességtartalmával magyarázzuk, ami a hő hatására elpárolog az anyagból. Megjegyzés: az acél termikus hővezető képessége egy nagyságrenddel nagyobb a betonénál. Ezért a hőmérsékleteloszlás tűz esetén sokkal egyenletesebb az acélelemekben, mint a vasbeton elemek beton részeiben. Egyszerűsítés gyanánt az acélelemek hőmérséklet-eloszlását egyen letesnek vesszük, lásd 3. fejezet. Ha egy szerkezeti elem anyagainak a termikus jellemzői ismertek, a hőmérséklet-eloszlás mint elem – a termikus hatás megadásával – kiszámítható az (1) egyenlet alapján. Habár, kivételes (egyszerű) esetekben az elemző eljárások is használhatóak (3. ábra). Valós helyzetekben hasznosak lehetnek a numerikus mód szerek (számítógépes modell). Jelenleg több modell létezik (4. ábra). A 3., 4. és 5. ábrán néhány lehetséges termikus hatásvizsgálati modell látható. A 3. ábrán egy bevonat nélküli acélgerenda, tetején betonlappal látható és a termikus reagálása természetes tűzben. Az ábrán a hőmérséklet az alacsonyabb övlemezben és az acélgerenda gerinclemezében gyakorlatilag azonos, habár a hőmérséklet-eloszlás a felső övlemeznél nem egyenletes. Ehhez tartozik a relatív hideg betonlap felső peremén levő hőveszteség. Az egyszerű számítási modelleket az EN 1993-1.2 szabvány tartalmazza, az acél keresztmetszetének alsó részén az egyenletes hőmérséklet-eloszlás elfogadott. A felső perem alacsony hőmérsékletéhez beszámoljuk a mechanikai terhelés korrekciós tényezőjét κ . A 4. ábrán 2D-ben egy betonlap és egy acél profil-nézetű hőmérséklet-eloszlása látható, 120 perces szabványtűzben tartás után, a számításokat DIANA-val végezték (5. ábra). Az elmélet és a vizsgálat eredménye megegyezik, különösen a kritikus területeknél, a borda felső részeinél (a 4. ábrán a D pontnál). Megjegyzés: A hőmérséklet-eloszlás nem egyenletes. A beton hővezető képessége egy relatíve kis értéket mutat. Az 5. ábrán egy kompozit gerenda 3D-s termikus reagálása látható. Az acél metszete egyik oldalt védőborítás nélküli, a másik oldalt védőborítással van ellátva. A 3D-s számítások sokkal bonyolultabb és csak ritkán használt

3. ábra: Termikus reagálás: acélgerenda/betonlap (2D)

4. ábra: Termikus reagálás: kompozit tábla (2D)

steel beam

fire in sulation

5. ábra: Termikus reagálás: kompozit gerenda (3D)

tervezési módszerek. Az értékek megadásának célja, hogy kiválaszthassuk a jelenleg létező számítási módszerek közül a legmegfelelőbbet.


3. A CÉLSZERKEZETEK SZÁMÍTÁSÁNAK SZABÁLYAI 3.1 Célkitűzés Az acélszerkezetek termikus reagálásának vizsgálati célja, hogy tűzállóságukat meghatározhassuk. Amióta az acélelemek normalizáltak, nincs szükség a külön kezelésükre, csak a teherbírásra vonatkozólag fontos a tűzállósági kritériumuk. Az EN 1993.1.2 szabvány a következő lehetőségeket tartalmazza az acélelemek viselkedésének vizsgálatakor: – egyszerű számítási modellek; – fejlett számítási modellek. A termikus reagálás a fejlett modellben az (1) egyenleten alapszik, az adott termikus hatással kombinálva. Ezen modellek általános érvényűek. Az alapfeltevés az egyszerű modelleknél az egyenletes hőmérséklet-eloszlás. Ez csak közelítőleg igaz a magas hővezető képességű acéloknál. A következő három lépést kell megtenni: 1. lépés: Meghatározni a kritikus acélhőmérsékletet (amely tönkre menetelt okoz). Ez a hőmérséklet az elem aktuális terhelésének és a szo bahőmérsékletű szerkezet teherbíró képességének arányá tól függ, majd ebből meghatározhatjuk a mechanikai reagálást.

6. ábra: E gyszerű számítási eljáráson alapuló módszer . az acélelemek tűzállóságához

A (2) egyenlet a számítási szabályok alapja az acél hő mérsékletének meghatározásának, különösen az egyszerű számítási modellnek, mely az Eurocode acélszerkezetek [1] részében szerepel, használható, ha adottak a kezdeti és peremfeltételek. Általános feltevés a kezdeti állapotokra vonatkozóan, hogy a fő esemény a tűz, a kezdeti hőmérséklet a szoba hőmérséklet 20 °C. A határfeltételek meghatározottak a tűz környezetében levő elemek teljes tiszta hőáramlásból (= termikus hatás). A hőáramlás hősugárzás és hővezetés révén lép fel. A 7. ábrán szereplő alapegyenletekkel kapcsolatban lásd 1. rész.

2. lépés: Meghatározzuk a hőmérséklet-eloszlást az acél keresztmetszetében, ez a termikus reagálás vizsgálatából adódik. 3. lépés: Meghatározzuk az acélelemek tűzállóságát, ez az 1. és 2. lépés kombinációjával történik. Először a 2. lépés szempontjait tekintjük át. Az acél vezetőképességére egy végtelen magas értéket veszünk fel. Ezek után az acél hőmérséklete egyenlőtlen eloszlású és az 1. egyenlet redukálódik a következőre: 7. ábra: Hőátadás a védett oldalon

θa t ρa ca . hnet,tot Am V

(2)

acél hőmérséklete idő acél sűrűsége fajhő

[°C] [s] [kg/m3] [J/kg]

acélelem teljes hőfluxusa [W/m2] az acélelem tűznek kitett felülete [m2/m’] az acélelem térfogata [m3/m’]

A (2) egyenlet jobb oldalán szereplő elemek:

. – “hnet,tot”

a termikus behatást foglalja magába, az adott tűz típusától (szabványtüzek, szénhidrogén-tüzek, termé szetes tüzek) és az acélelem-védelemtől (ha van) függően (az 1. részben tárgyaltuk).

– “ρa ca” – “Am/V”

az acél fizikai és kémiai adatai.

az acél geometriai adatai, és a tűznek kitett oldalak aránya (minden oldal, vagy 3 oldal stb.). Ezt a hányadost nevezzük keresztmetszeti tényezőnek.

A következők figyelhetők meg: A Stephan–Bolzmann sugárzási törvényből adódik a su gárzási hőátadás. Ezzel a törvénnyel meghatározhatjuk az acélelemek maximális sugárzási értékét, ebből adódóan a sugárzás hőmérséklete megegyezhet a gáz hőmérsékletével és követi a tűz modellét. Ez a sugárzási hőátadás egyenletének alapja az EN 1993.1.2. [1] szabványban. Ebben az egyenletben a következő fizikai tényezők ját szanak szerepet: -8 2 4 – Stephan–Bolzmann-állandó (σ = 5.67 10 W/m K ): ez egy fizikai állandó. – Az elem felületének kibocsátó képessége (εm): ez az anyag felületétől függ. – Az alaki tényező (Φ): a geometriai tényező ≤ 1; sok valós esetben (szabványtűz szimulációjakor) ez a tényező sokszor 1-nek vehető. Lokális tűz esetén Φ < 1. Megjegyzendő, hogy a felület hőmérséklete (Θm) a pil lanatnyi időközökként követi az (1) egyenlet szerint meghatározott hőmérsékletet.


A nettó konvektív (hővezetés általi) hőátadás körülbelül arányos a hőmérséklet-különbséggel (Θg – Θm) és ezt a hővezetési tényező (αc) értéke befolyásolja; ez a gya korlatban 25-től (szabványtűz feltételek) 50 W/m2K-ig (szénhidrogén-tűz) változik. Természetes tűz esetén αc = 35 W/m2K. Néhány gyakorlati következtetés a következőkben lesz tárgyalva a fenti számítási szabályokkal kapcsolatban a nem védett és a védett acél esetén.

3.2 Tűzvédelem nélküli acélelemek A hőmérséklet-eloszlás számítási szabályát tűzvédelem nélküli acélelemekre az ENV EC3-1.2 szabványrész tar talmazza, mely a sugárzási és konvektív hőátadás szokványos paraméterértékein alapul [8]. Ezen értékek teszteken ala puló elfogadott értékek, azonban – fizikai szempontból – nem nagyon meggyőzőek. Ezek kiemelten tartalmazzák a sugárzási hőátadást, az eredő kibocsátás kisebb mint: 0.5 (= εf. εm), aminek megfelelően kell közelítenie a vizsgálati értékeket. A tűzkörnyezet kibocsátását εf-el jelöljük. Ez a probléma sokkal egyszerűsödik, mikor a lemez hőmérőt alkalmazunk (hőelempár helyett), mint mérőeszközt a gáz hőmérsékletének szabályozására a szabvány tűzellenállás teszt során [1], [9]. A burkolatlan acélszerkezetek hőmérsékletének vizsgálatára vonatkozó számítások valósághűbb és ellentmondásmentes kialakítása során az EN EC3-1.2 [1] alapján figye lembe véve a jövőbeni tűztesztek gyakorlatát is, a valósághoz közelebbi értéket alkalmak a kibocsátási tényezőhöz, mint az acél felületi kibocsátása: (єa): 0.7 (egy viszonylag alacsony, de valós érték) és a tűz környezete: (єfi): 1.0 (egy közvetlen eredmény, hogy lemez hőmérőt alkalmaznak a kemence vezérléséhez a fűtés szabályzásra [9]). Az ezen módosításokkal számított hőmérsékleteknek „emelő hatása” van, melyet ellensúlyoz az ún. árnyékhatás, ami nem közvetlenül van figyelembe véve az ENV előírásokban. Teljesen beépített elemet feltételezve (mint az egyszerű számítási modell esetében) az árnyékhatást okozhatják a sugárzástól védett helyek az acél profilján, ami az alakjából adódik. Szerepet játszik az acélelemek konkáv formája is, úgymint az I szelvénynél. A konvex alakú szelvényeknél, valamint a csövek, az árnyékhatás nem létezik (nincs helyi takarás). A hőmérséklet növekedése ∆θa,t, egy védelem nélküli acélelem esetén ∆t időközönként meghatározható, a követ kező egyenlet segítségével:

[Am/V]box a

keresztmetszeti tényező doboz (box) értéke, értelmezés szerint a szelvényt magába foglaló elképzelt doboz nagyságának és az acél térfo gatának aránya.

Minden más esetben a

ksh érték meghatározható: (4b)

A ksh fenti definíciójából következik, hogy cső esetén az árnyékhatás nem létezik, mivel

8. ábra: Védelem nélküli acélelemek hőmérséklet-növekedése

3.3 Védelemmel ellátott acélelemek A szigetelt acélelemek hőmérséklet-növekedésének számítási egyenlete hasonló a (3) egyenlethez. Azonban ebben az esetben a szigetelés hatását figyelembe kell venni, mikor a nettó hőkibocsátást számítjuk. Valós ese tekben a hőmérsékletesés a szigetelésnél viszonylag nagy. Következésképpen a szigetelés felszíni hőmérséklete közeli a gáz hőmérsékletéhez.

Mivel a hősugárzás értéke kicsi, ezért normál esetben elhanyagolható. Ez azt jelenti, hogy nem fontos az árnyékhatás, amiért nem szükséges a korrekciós tényező (ksh) mint a védelem nélküli acéloknál. Lásd [1]. A fentieket mutatja be a 9. ábra. Az ábrán megadott alap összefüggések szigetelt acélokra vonatkoznak.

(3)

ksh árnyékhatás korrekciós tényezője . hnet,d a burkolatlan acélfelületre eső hőfluxusa єa = 0.7 és єfi = 1.0 [W/m2]. Új a kifejezésben – összehasonlítva az ENV EC3-1.2-el – a változtatott tényező ksh az árnyékhatáshoz. A korrekciós tényező nem tesz különbséget a hőáramlás és hővezetés között. A hővezetésre az árnyékhatás nincs olyan hatással, mint a hőáramlásra. Ezt a hatást elhanyagoljuk, mert tűz esetén a hővezetés szerepe kicsi. Ez mutatja, hogy az I szelvénynél a névleges tűz hatására az árnyékhatás jól leírható [9].

(4a)

9. ábra: Szigetelt acél hőmérséklet-növekedése


Burkolatlan acéloknál, egy átfogó, teljes felületre kiterjedő hőátadási együttható határozható meg Kins . Nyilvánvalóan befolyásolja ezt a szigetelés vastagsága (dp), az acél termikus tulajdonsága (ρa, ca) és a szigetelés anyaga (λp, ρp,

cp).

Az (1) egyenlet figyelembe veszi a fent említett hatásokat. Ha a szigetelés termikus kapacitása kicsi az acéléhoz képest, akkor közelítőleg Kins ≈ λp/dp lineáris hőmérséklet-eloszlást kapunk. Ezt szintén mutatja a 9. ábra. A keresztmetszeti tényező a szigetelt acélelemek esetén Ap/V. Lásd 3.4. fejezet.

3.4 H őmérséklet-növekedés . tervezési paraméterei 3.4.1 Alapok A hőmérséklet-növekedés egy acélelemnél – adott tűztípus esetén – két tervezési paramétertől függ:

– keresztmetszeti tényező Am/V, Ap/V

(a nem szigetelt és a szigetelt (védett) elemek figyelembevételével), – a szigetelés jellemzői dp, λp, ρp, cp (csak szigetelt ele meknél).

A következő bekezdésekben minden ilyen paramétert megismerünk, tömören. Kihangsúlyozzuk a szabvány tüzet, mert a valóságban ezen feltételekre terveznek általában.

Szempontokat adunk meg mind a nem szigetelt, mind a szigetelt acéloknál a természetes tűzbiztonság fogalmának használatára a 3.4.4. fejezetben.

3.4.2 A keresztmetszeti tényező meghatározása . és hatása A 10. ábra a keresztmetszeti tényező hatását ábrázolja, a hőmérséklet növekedésekor burkolatlan acélnál. A kedvező arány a keresztmetszeti tényezőnél 50 és 400 m-1 között van. Hasonló információt, habár egy általánosabb esetben a 11. a) és b) ábrákon is láthatunk. A 11. a) ábra a bevo nat nélküli acélokra vonatkozik. A 11. b) ábrán a bevo nattal ellátott acélelemek szerepelnek, melyek 90 percre szabványtűznek vannak kitéve. Ezeken az ábrákon a ke resztmetszeti tényező hatása látható az acél hőmérsékletváltozásánál, minden görbe egy bizonyos szigetelésvastagsághoz tartozik. Mint azt már korábban említettük, a keresztmetszeti tényező meghatározható, mint a hőátadás felszínének és az acél térfogatának hányadosa.

11. a) b) ábra: A cél-hőmérsékletek a keresztmetszeti tényező szerint

Még pótlólagosan a következő szabályok vonatkoznak rájuk: – dobozolás esetén az acél kerülete egyezzen meg a határoló dobozéval, – az acélszelvény és a felette lévő betonfödém hőcseréjét elhanyagoljuk. A fogalmat magyarázza a 12. ábra, melyben számadatokat és néhány példát láthatunk. Átfogóbb áttekintés az [1]-ben található.

a) kialakítás

b) adatok 10. ábra: Acélprofilok hőmérsékleti eloszlása az idő függvényében

12. ábra: Acélprofil keresztmetszeti tényezői


3.4.3 S zerkezeti acélok . tűzvédelmi burkolatainak jellemzése A 3.4.1 bekezdésben már említett szigetelés főbb jellemzői a következők: – hővezető képesség (λp), – fajhő (cp), – sűrűség (ρp), – vastagság (dp). Az első három tulajdonság fizikai jellemző. Tudni kell azonban, hogy aktuális értékük folyamatosan változhat, mely összefügg a tűz hatásával, mint a repedések, réteg elválás és a nedvesség elpárolgása. Ez főként a hővezető képességre igaz. Ráadásul az általában használt tűzvédelemre használt anya gok hővezető képessége jelentősen változik a hőmérséklet függvényében. Ezért azon λp értékek, melyek adottak a táblázatokban a szobahőmérsékleti felhasználáshoz, nem használhatóak tűzvédelmi tervezéshez.

a) tűzvizsgálat előtt

A λp meghatározásához egy speciális fél-tapasztalati köze lítést használunk [10]. A közelítésekben két különböző vizsgálati eljárás jöhet szóba: (a) terhelt és terheletlen gerendák vizsgálata, (b) terheletlen, rövid oszlopok vizsgálata. zeknek a vizsgálatoknak a célja, hogy a szigetelési ad. a: E rendszerről kiderítse, hogy összefüggő marad-e és a rögzítéseken megmaradó-e a tűz hatása folyamán, mint ahogy szükséges 3.4-ben [1]. Két pár egyező ke resztmetszetű gerenda van kitéve a szabványtűznek. Egy pár gerenda maximális vastagságú, a szigetelésrendszernek megfelelően, a másik pár pedig a mini mális vastagsággal rendelkezik. A különbség a terhelt és a terheletlen gerenda termikus reagálásban az, hogy a terhelt pár felvette a terhelést és deformálódott. A bevezetett korrekciós tényező éppen ezen hatásokat veszi figyelembe. zeknek a vizsgálatoknak a célja, hogy meghatározzuk ad. b: E a λp-értéket amelyek érvényesek a tűz hatása alatt. 10 terheletlen, rövid oszlop (tipikus magasság: 1 m) van kitéve szabványtűznek. A szigetelés vastagsága, valamint a keresztmetszeti tényező szisztematikusan változnak. A mért acél hőmérséklete, ahol szükséges, a gerendatesztek alapján korrigált. Az eredményeket összegezték, melyek egy tervezési grafikonhoz vezettek, amit a 11. b) ábrán mutattunk be. A számítógépes programok, mint analizáló eszközök elérhetők, alkalmazhatók és az ábrázolást is képesek megoldani. A 13. a) és b) ábrákon látható képek egy terhelt gerendát ábrázolnak tűzteszt előtt és után. A legnagyobb deformá ciók „átszúrást” okozhatnak. A vizsgálat és értékelés módszere alkalmas az acél szigetelés rendszerének meghatározására. A szigetelések különböző változatai érhetők el: – aeroszol sprayek, – lapok, – felhabosodó bevonatok. A tűzvédelemben több más típus is létezik. Használhatóak függőlegesen (acélokra rögzíthető részekből) vagy vízszin tes (gerendák, emelet vagy tetőszerkezet álmennyezeteként

b) tűzvizsgálat után 13. ábra: tűznek kitett terhelt gerenda

rögzítve). Európai szabványok léteznek a fent ismertetett tűzvédelmi burkolatokra acélszerkezetek tűzvédelmére [11, 12]. Ezen szabványok ismertetése meghaladja ezen anyag célkitűzését. A fentiekből adódóan a szigeteléseket használati szempontból megkülönböztetjük, de előírásoknak megfelelően bírniuk kell az esetleges tűz behatásait a feltüntetett határokig. Bizonyos körülmények között a tűznek kitett acél „gyors és könnyű” közelítése hasznos lehet a hőmérsékletelemzés szempontjából. Ennek megfelelően a Szerkezeti Acélok Európai Szövetsége (ECCS) kifejlesztette az „Euro-monogramokat” [13]. A 14. ábra illusztrálja a monogramokat, melyeken feltüntették a tűzállóság idejét és a hőmérsékleteket is a keresztmetszeti tényezőknek Am/V értéknek megfelelően. A szigetelt tagnak a következő tényezők a jellemző para méterei: (λp/dp), (Ap/V). Megjegyzés: Az Euro-monogramok meghatározása az ENV EC3-1.2 része alapján történt. Ezért ezeket bizonyos fenntartásokkal kell kezelni.


HIVATKOZÁSOK

14. ábra: Euromonogramok

3.4.4 A nem szabványos tűz esete Az 1. részben a számítások a természetes tűz biztonsági szempontja megközelítés alapján kerültek meghatározásra. Hasonlóan a védelem nélküli acéloknál is a közelítés elfo gadott, a termikus (és mechanikai) jellemzők hasonlóak a természetes tűz esetén is. Nem egyértelmű a hasonlóság az acéloknál használt különböző szigetelőrendszerek között. Ahogyan az előző részben leírtuk, sok jellemző került meghatározásra a szabványtűz esetén. Szigorúan nézve olyan acéljellemzőket alkalmaznak, melyek jelentősen különböznek a nem szabványtűz esetén. A természetes tűz fogalma tartalmaz a védett szerkezeti acélok tervezésére vonatkozóan néhány figyelmeztetést. Másrészről, be kell látnunk, hogy jelenleg a termikus jellemzők elfogadottak annak ellenére, hogy a tűz jellemzői sokban eltérhetnek a szabványostól. Ennek okáért vitat ható, hogy a természetes tűz esetén is használhatók ezen jellemzők.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikk a DIFISEK+ program (Dissemination of Fire Safety Engineering Knowledge) keretében, annak WP 2. része: Vassart, O.: Thermal Response, ArcelorMittal Long Carbon Europe Research Centre, Grand-Duchy of Luxembourg felhasználásával történt.

[1] E N 1993.1.2: “Eurocode 3: Design of Steel Structures, part 1.2: General Rules - Structural fire design”. CEN TC 250, 2004. [2] EN 1994.1.2: “Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures, part 1.2: General Rules – Fire Design”. CEN TC 250, 2004. [3] Welty, J.R., Wicks, C.E. and Wilson, R.E.: “Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer”. John Wiley & Sons, New York, 1976. [4] Twilt, L. et al: “Design tools for the behaviour of multistorey steel-framed buildings exposed to natural fires”. Report EUR 20953 EN, European Commission, Science Research and Development, 2004. [5] Both, C., Stark, J.W.B. and Twilt, L.: “Numerical simulation of thermal and structural response of composite steel/concrete structures to fire”. Proceedings 4th Pacific Structural Steel Conference, pp 171-178, Singapore, 1995 [6] Both, C.: “3D analysis of fire exposed composite slabs”. Proceedings 3rd CIB/W14 Workshop on Modelling, Delft, 1993. [7] EN 1991.1.2: “Eurocode 1: Actions on Structures, part 1.2: General Actions – Actions on structures exposed to fire”. CEN TC 250, 2002. [8] ENV 1993.1.2: “Eurocode 3: Design of Steel Structures, part 1.2: General Rules – Structural fire design”. CEN TC 250, 1995. [9] Twilt, L., Leur, P.H.E. v.d., and Both, C.: “Characteristics of the heat transfer for calculating the temperature development in structural steelwork exposed to standard fire conditions under plate thermocouple control”. Proceedings of the first international workshop “Structures in Fire”, Copenhagen, June 19 and 20, 2001. [10] ENV13381-4: “Test method for determining the contribution to the fire resistance of structural members Part 4: Applied protection to steel members”. CEN TC 127, 2002. [11] prENV13381-1: “Test method for determining the contribution to the fire resistance of structural members Part 1: Horizontal protective membranes”. CEN TC 127, (under preparation). [12] ENV13381-2: “Test method for determining the contribution to the fire resistance of structural members Part 1: Vertical protective membranes”. CEN TC 127, 2002. [13] ECCS TC3: Eurono-monograms for fire exposed steelwork [14] EN 1363-1: Fire resistance tests – Part 1: General requirements”, CEN TC 127, 1999. [15] Both, C.: The Fire Resistance of Composites SteelConcrete Slabs”, Dissertation TU Delft, 1998. [16] ENV 1994.1.2: “Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures, part 1.2: General Rules – Structural fire design”. CEN TC 250, 1995. [17] Twilt, L. et al: “Design Guide for Structural Hollow Section Columns Exposed to Fire”. CIDECT, Verlag TUV Rheinland,1994. [18] POTFIRE Manual, version 1-1, CTICM, Paris, 2000. [19] Twilt, L., Both, C, Kruppa, J., Zoa, B.: “Fire Design of Unprotected Concrete Filled SHS Columns: The further development and extension of application of user friendly PC software”. Proceedings of the ISTS conference, Dűsseldorf, April 2001. [20] REAFO/CAFIR: “Computer assisted analysis of the fire resistance of steel and composite concrete structures”. CEC Research 7210-SA/502, Final Report, Luxembourg, March 1986.


Farkas József Prof. emeritus, a műszaki tudományok doktora, Dr.h.c. Miskolci Egyetem

ACÉLSZERKEZETEK MECHANIKAI VISELKEDÉSE TŰZ ESETÉN Nyomott körcsőszelvényű rúd . optimális méretezése tűzállóságra MECHANICAL RESPONSE OF STEEL STRUCTURES . IN CASE OF FIRE. Optimum design for fire resistance of a compressed strut of circular hollow section A kritikus hőmérséklet módszerével meghatározható egy acélszerkezeti elem tűzállósági időtartama az Eurocode képleteivel. 600 ºC-ig a ΔΘa–Δt hőmérsék let–idő összefüggés közelítőleg lineárisnak tekinthe tő, így az időintervallumokkal való számítás helyett a képlet közvetlenül alkalmazható a Θcr–R összefüggésre. E módszerrel ellenőrzésként egy számpéldában meghatározzuk egy nyomásra terhelt körcsőszelvényű acélrúd tűzállósági idejét. Az optimális méretezés magasabb rendű a tervezésnél, mert a méretezési feltételek teljesítése mellett kiválasztja a leggazdaságosabb szerkezetvariánst. Az optimálást egy nyomott körcsőszelvényű rúdra mutatjuk be.

The fire resistance time of a steel structure can be determined by the method of critical temperature and by using the formulae of Eurocodes. Till 600 ºC the ΔΘa–Δt temperature-time correlation can be assumed linear, thus, instead of the calculation with time intervals the formula can be applied for the correlation of Θcr–R. Using this method the fireresistance time of a compressed strut of circular hollow section (CHS) is determined. The optimum design is superior to simple design, since it determines not only a structure fulfilling the design constraints, but also the most economic structural version. The optimum design of a compressed strut of CHS is worked out.

Bevezetés Magas hőmérsékletek esetén az acélok folyáshatára (fy) és rugalmassági modulusa (E) jelentősen csökken, így az acélszerkezetekben nagy alakváltozás és teherbíráscsökkenés következik be. Az Eurocode 3 (a továbbiakban EC3) [1] megadja a kyΘ és kEΘ csökkentő tényezők értékeit. Érdemes megjegyezni, hogy a rozsdamentes acélok csök kentő tényezői kedvezőbbek a szénacélokéinál. A rozsda mentes acélokról az angol acélszerkezeti intézetben 2007ben tartottak szemináriumot, ahol foglalkoztak a négyzet csőszelvényű oszlopok teherbírásával tűz esetén [2]. A 2008. évi Eurosteel konferencián 23 előadás foglalkozott a tűzbiztos méretezéssel, többek között Lopes [3]. Japánban speciális tűzálló acélokat fejlesztettek ki, amelyek folyáshatára 600 ºC -on a 20 ºC -os folyáshatár 2/3-a [4]. A csőgyártók nemzetközi szövetsége (CIDECT) tervezési irányelveket dolgozott ki csőszelvényű szerkezetek tűzbiztos tervezésére [5]. Jelen tanulmányban ezen irányelvek alap ján tárgyaljuk a nyomott csőszelvényű rudak ellenőrzését és optimális méretezését, felhasználva az EC3 képleteit is.

1. ábra: A tűz gázának és az acélszerkezeti elem hőmérsékletének görbéje az idő függvényében. A szerkezeti elem tűzállósági ideje (R) és a kritikus hőmérséklet (Θcr) összefüggése

(1)

A kritikus hőmérséklet módszere

ahol t az idő sec-ban.

Az 1. ábra a hőmérsékleteket mutatja az idő függvényében. A tűz során keletkező gázok hőmérsékleti görbéjét kísérletek alapján az EC függvénnyel adja meg:

A gáz hőmérsékleti görbéjére végeztek vizsgálatokat Ghojel és Wong [6].


Az acélszerkezetekben keletkező hőmérséklet görbéjének képlete egy Δt időintervallumra vonatkozóan [7]

(8)

(2) A 2. ábra a kritikus hőmérséklet és az idő összefüggését érzékelteti.

A tényleges hőáram a konvekciós és sugárzási részből áll

(3) a konvekciós rész

Θcr (C o)

(4) a sugárzási rész

(5)

5.67x10-8 a Stefan–Boltzmann-állandó, az acél fajhője

(6) Ebben a szerkezeti elem keresztmetszetére jellemző adat az Am /V, ahol állandó keresztmetszetű rúd esetén Am a lángokkal körülvett rúd felülete, V a rúd térfogata. Állandó keresztmetszetű, állandó t0 vastagságú, egyszeresen zárt szelvényű rúd esetén

µ0 3. ábra: A kritikus hőmérséklet a kihasználtsági tényező . függvényében

Kihajlás esetén

(7) ahol

t0 a szelvényvastagság.

(9)

Θa (C o )

a kihajlási tényező

gáz

(10) (11) Körcsőszelvénynél

(12) t (m in) 2. ábra: A z acélszerkezeti elem hőmérséklete . különböző Am /V értékekre az idő függvényében

A 2. ábra mutatja, hogy minél nagyobb az Am /V érték, annál jobban közelíti az acélelem hőmérséklete a gázét, vagyis annál veszélyesebb az acélelem helyzete. A kritikus hőmérséklet nyomott rudaknál a μ0 = Nfi /N0 kihasználtsági tényezőtől függ, ahol. Nfi a tűz során al kalmazott nyomóerő (a fi index az angol fire = tűz rövi dítése), N0 a rúd teherbírása 20 °C -nál.

10

Tűz esetén a c jelű kihajlási görbe [8] használandó, így

α = 0.49.

Épületvázaknál a felső szinti oszlopoknál a kihajlási hossz közbülső szinti oszlopoknál L = 0.5h, h az oszlopmagasság.

L = 0.7h,

Ha meghatározzuk az acél hőmérsékleti görbéjét és a kritikus hőmérsékletet, ezt kivetítve az acél görbéjére, az 1. ábra szerint megkapjuk azt az időtartamot (R – resistance), amíg a szerkezet teherbíróképes (tűzállósági idő). Ezt az előírások megadják 30, 60, vagy 120 percben.


Nyomott körcsőszelvényű oszlop ellenőrzése tűz esetére Az ellenőrzés során adott csőkeresztmetszetre (t0 vastag ság, D átmérő), kihajlási hosszra (L), tűz melletti terhelésre (Nfi) meghatározzuk a kritikus hőmérsékletet (Θcr) és a tűzállósági időt (R).

ha 100 ºC <

Adatok: D = 355.6, t0 = 28 mm, L = 0.5x5000 = 2500 mm, Nfi = 3000 kN, fy = 235 MPa.

ha 500 ºC <

A (9)–(12) képletekkel N0 = 6.669x106 [N], μ0 = 0.45. A kritikus hőmérséklet a (8) szerint Θcr = 601 ºC. A nyomott acélcső hőmérséklet–idő görbéjének pontos meghatározásához a (2) szerint Δt = 5 időközönként haladva kellene végezni, azonban 600 ºC-ig az összefüggést közelítőleg lineárisnak tekintve a (2)-ből ΔΘa = Θcr helyettesítéssel a tűzállósá gi idő kiszámítható. A vonatkozó képletekbe Θa helyett Θcr-t helyettesítve hnetc = 6008, hnetr = 43530, hnetd = 49540, ca = 761, és

min.

(13)

Vagyis a rúd megfelel a tűzállósági követelménynek. Az EC3 szerint ellenőrizni kell, hogy Nfi < Nfi.t vagyis hogy a terhelés kisebb mint a t időponti teherbírás. Az utóbbi képlete az 1, 2 és 3 szelvénycsoportra

(14) a

γMfi

biztonsági tényezőre az EC3 1-et javasol,

(15)

(16) A kyΘi és kEΘi tényezőket az EC3 táblázatosan adja meg, ezekre a Θa hőmérséklet függvényében lineáris közelítő képleteket használhatunk:

(17) ha 20 ºC <

Θa

< 400 ºC

(18) ha 400 ºC <

Θa < 500 ºC (19)

ha

500 ºC <

Θa

< 600 ºC

Θa < 500 ºC (22) Θa < 600 ºC

A Θa értékét a Θcr-ból számítjuk az előírt nak megfelelően:

R = 30 min(23)

ahol idő.

R

a kritikus hőmérséklethez tartozó tűzállósági

Az ellenőrzött rúd esetén Θa = 532 ºC és Nfi.t = 3883 kN > 3000 = Nfi, tehát a rúd ennek a követelménynek is megfelel.

Az optimális méretezésről Az optimálás során meghatározzuk azokat a szerkezetparamétereket (változókat), amelyek minimálják a célfügg vényt és kielégítik a méretezési feltételeket. A változók rendszerint a szerkezet fő méretei, a célfüggvény lehet a szerkezet tömege vagy költsége. A méretezési feltételek előírják a szerkezet biztonságát a tönkremenetellel szemben (törés, instabilitás, fáradás, nagy alakváltozás) és gyártha tóságát (méretkorlátozások, méretpontatlansági korlátok). Ha a célfüggvényt és a méretezési feltételeket a válto zók függvényében meg tudjuk fogalmazni, az optimálás matematikai feltételes szélsőérték-számítási módszerekkel végrehajtható. Az optimális méretezés magasabb rendű mint az egyszerű tervezés, mert a tervezés csak a méretezési feltételek teljesítésére törekszik, míg az optimálás a célfüggvényt is mi nimálja. Amíg a méretezési feltételeknek sok szerkezetvariáns is megfelelhet, addig az optimálás ezek közül ki választja legmegfelelőbbet, vagyis azt, amely minimálja a célfüggvényt. Költségfüggvény esetén a kiválasztás a gazdaságosság szempontja szerint történik a költségek összehasonlításával. A [9] könyvben keretek optimális méretezése szerepel tűz esetére is.

Nyomott körcsőszelvényű rúd optimális méretezése tűzállóságra Az optimálás során a több megfelelő szerkezet-variáns közül kiválasztjuk azt a körcsőszelvényt, amelynek legkisebb a keresztmetszeti területe. A szelvényválasztékot a Dutta–Wörker-féle csőszerkezeti kézikönyvből [10] vesszük (DIN 2448 és 2458). Adatok (az előbbi ellenőrzési számpéldának megfelelően):

és

Nfi = (20)

ha 20 ºC <

(21)

Θa <100 ºC

3000 kN, fy = 235 MPa, L = 2500 mm. Ismeretlen változók : D, t0. A célfüggvény: A méretezési feltétel az előírt tűzállósági idő


R

= 30 min.

11

1. táblázat: A feltételeknek megfelelő körcsőszelvények adatai

D mm

t0 mm

A mm2

Θc °C

Θa

Nfi.t kN

355.6 323.9 298.5 273 244.5 219.1 193.7 177.8

28 30 32 36 36 40 50 55

28820 27700 26790 26800 23580 22510 22570 21220

601 593 585 582 557 543 531 504

532 516 499 449 495 469 391 386

3883 3945 4007 4420 3346 3244 3444 2958

Bár csak kétváltozós a probléma, de a bonyolult össze függések miatt a két változó nem választható szét. Ezért a MathCAD számítógépi eljárást alkalmazzuk iterációval. Felvett D és t0 értékekkel számítjuk a Θcr-t, majd ezzel a (13) képletből egy új t01 vastagságot

(24) és ez alapján a szelvénytáblázatból új kerekített vastagságot veszünk fel, ha az előző kisebb t01-nél. Ezután ellenőrizzük, hogy az Nfi < Nfi.t feltétel fennáll-e. Az 1. táblázat mutatja a számítás eredményeit. Látható, hogy a tömegminimum és a tűzállóság feltétele nagy szelvényvastagságokat eredményez. A 177.8x55-ös szelvény már nem felel meg, mert Nfi.t < Nfi. Tehát az optimális szelvény a 193.7x50 mm. Az eredeti 355.6x28-as szelvény helyett a sokkal kisebb keresztmetszeti területű 193.7x50 szelvény gazdaságosabb, amennyiben ez a vastag szelvény gyártható.

Köszönetnyilvánítás A cikk a DIFISEK+ program (Dissemination of Fire Safety Engineering Knowledge) keretében, annak WP 3. része: Zhao, B.: WP 3 Mechanical response, CTICM – Centre Technique de la Construction Métallique, France részbeni felhasználásával történt.

12

Irodalom [1] E urocode 3: Design of steel structures – Part 1-2. General rules – Structural fire design. Brussels, 2005. [2] Uppfeldt,B., Ala-Outinen,T., Veljkovic,M. A design model for stainless steel box columns in fire. J. Constr. Steel Research 64 (2008) No.11. 1294-1301. [3] Lopes,N. et al. Flexural buckling of axially loaded ferritic stainless steel columns in case of fire. In “5th European Conference on Steel and Composite Structures, Graz, Austria, 2008. Brussels, ECCS” Vol.B. 989-994. [4] Sakumoto,Y. et al. High-temperature properties of fireresistant steel for buildings. J. Struct. Eng. ASCE 118 (1992) No.2. 392-407. [5] Twitt,L. et al. (CIDECT) Design guide for structural hollow section columns exposed to fire. Köln, TÜV Rheinland, 1996. [6] Ghojel,J.I., Wong,M.B. An improved heat transfer model for the thermal analysis of unprotected steel members. In” 4th European Conference on Steel and Composite Structures, Maastricht, The Nederlands, 2005. Aachen, Druck und Verlagshaus Mainz” Vol.C. 5.1-111-118. [7] Eurocode 1: A tartószerkezeteket érő hatások. 1-2. rész. Általános hatások. A tűznek kitett szerkezeteket érő hatások. MSZ EN 1991-1-2:2005. [8] Eurocode 3. Part 1-1. General structural rules. Brussels, 2005. [9] Farkas,J., Jármai,K. Design and optimization of metal structures. Chichester, Horwood Publ.Ltd. 2008. [10] Dutta,D., Würker,K-G. Handbuch Hohlprofile in Stahl konstruktionen. TÜV Rheinland, Köln, 1988.


Szabó Lívia – Dr. Horváth László BME

Öszvérszerkezetek tûzállósága Fire Resistance of Composite Structures Hazánkban egyelõre nem alkalmaznak széles körben öszvérszerkezeteket a tûzállósági problémák orvos lására. Hasonló példákat Nyugat-Európában már láthatunk. Napjainkban a tûzteherre való méretezés egyre inkább fontos kérdéssé válik, erre azonban nem csak a vasbeton szerkezetek felelnek meg, hanem a pusztán acél, illetve az öszvér irányba mozdult szerkezetek is.

In Hungary the applycation of composit structures is not widespread, to overcome fire resistance problems. There are similar examples of it in Western-Europe. Nowdays design for fire resistance is becoming more and more important. As a solution, steel and composit structures can be applied, not only structures made of concrete.

Ahogy egyre fontosabbá válik az épületek tûz elleni védelme, úgy egyre inkább szükséges hatékonyabb módszerek kidolgozása a hatékonyság valamint a gazdaságosság növelésére. Gyakorlatban egyelõre az aktív védelem az elterjedtebb. Az acélszerkezeteket jellemzõen festékekkel vagy táblás hõszigetelõ anyagokkal védik a felmelegedéstõl. Ezek azonban jelentõs költséget jelentenek, valamint a kivitelezési idõt is meghosszabbítják. Ezek az okok teszik indokolttá a passzív védelmi megoldások keresését. Megoldást jelenthet az aktív és passzív védelem kombinálása is. Olyan technológiák, anyagválasztások jelentenek elõrelépést, amelyek minimális költséget jelentenek az üzemszerû használatra történõ méretezésen felül. Ha az acélt és a betont úgy kombináljuk, hogy a beton védelmet nyújthasson az acélnak magas hõmérsékleti hatások esetén és a szerkezet még így sem túlméretezett élettartama során, akkor elértük a célunkat. A kérdésre, hogy az elõbbi elmélet gyakorlatban gazdaságosan alkalmazható-e, egy konkrét épület Európai Uniós szabvány szerinti számításával igye keztünk megadni a választ.

Az épület

1.

A vizsgálat tárgya egy parkolóház, melynek 3 szintjén összesen 209 személygépkocsi kaphat helyet, ebbõl 18 parkolóhely mozgássérültek részére van fenntartva. Az épület két szintje fedett, míg a legfelsõ szabad. Az egyes szintek megközelítése az épület közepén, hosszirányban elhelye zett rámpán történik, mely kétirányú forgalmat bonyolít. A gyalogosközlekedés az épület négy sarkán kialakított lépcsõházakban, illetve lifteken zajlik. Ezek befoglaló szer kezete biztosítja egyben az épület merevítését is. Az épüle ten körben acélkorlát kerül kialakításra, tömör mellvéd nincs. A parkolóház befoglaló mérete mintegy 54 m x 38 m, magassága 8,5 m. A választás azért erre a kialakításra esett, mert így a letisztult geometria mellett egyszerû szerkezeti elemeket lehet vizsgálni. A szerkezetet prEN 1994-1-1 (Design of composite steel and concrete structures - Part 1.1: General rules and rules for buildings) szabvány szerint méreteztük.

1. 3.

Oszlop és gerenda szelvénye

2.

1.

1.

Alaprajzi elrendezés


13

A számítás eredményeképp az alábbi szerkezeti méretek adódtak: A födém trapézlemezzel együttdolgozó öszvérfödém. A trapézlemez Comfloor 70 típusú, 70 mm hullámmagasságú, 1,2 mm vastag. A födém teljes vastagsága 14 cm. A trapézlemez és a födém között az együttdolgozást a trapézlemez rovátkolása biztosítja. A födém folytatólagos, többtámaszú lemezként kerül kialakításra. A trapézlemez minden egyes bordájában egy-egy Ø25-ös acélbetét kerül. A lemez felsõ részére kétirányú hálós kialakítású vasalás kerül: Ø16/200. A gerendák öszvér kialakításúak, ami a szelvény betonnal való kiöntésével valósul meg. Ezen kialakítás lehetõvé teszi az öszvérgerendák elõregyártását, így a helyszínen csak sze relni kell. A födémmel való együttdolgozást fejes csapok biztosítják. A gerendák kéttámaszú tartóként mûködnek. Az oszlop–gerenda, illetve gerenda–gerenda kapcsolatok csavarozott kapcsolatokként kerülnek kialakításra. A kap csolat környezetében nincs betonkiöntés, oda a szerelést követõen méretre szabott hõszigetelõ panelek kerülnek. A fõtartó IPE360 típusú, melegen hengerelt szelvény, a fióktartó IPE220-as szelvény. Az oszlop a gerendákhoz hasonló kialakítású, szelvénye: HEA260.

Az acél szilárdsági jellemzõinek változása

A tûzteherrõl általánosságban Tûz esetén a szerkezetek a melegedés következtében veszítenek teherbírásukból, függetlenül attól, hogy milyen anyagból készültek. Ennek ellenére bizonyos funkciókat elvárunk a szerkezetektõl tûz esetén is. Terheit egy elõírt idõtartamon belül viselnie kell, meg kell gátolja a tûz és a füst továbbterjedését az épületben, illetve átterjedését a szomszédos épületekre. További alapvetõ feltétel, hogy az épületben tartózkodó személyek biztonságos körülmények között elhagyhassák azt, vagy más módon kell gondoskodni a védelmükrõl. Természetesen a tûzoltók védelmérõl is gon doskodni kell. Az úgynevezett tûzállósági idõtartamok egy adott szerkezet esetében nem azt a konkrét idõtartamot jelentik, ameddig az adott szerkezeti elem valóban funkcionális tûz esetén, azok ugyanis egy szabványos hõmérséklet–idõ görbe alap ján végzett melegítési kísérlet eredményeire vonatkoznak. Ez a hõmérséklet–idõ görbe eltér minden valóságos tûz típus hõmérséklet–idõ összefüggésétõl. A görbe a hõmérsékletnek egy egyre növekvõ függvényét adja meg. A tûz állósági idõtartam tehát nem más, mint szabványos összehasonlító adat. A hõmérséklet növekedésével a legtöbb építõanyag szilárdsági és merevségi jellemzõi fokozatosan leépülnek. Az ábrák az acél és a beton feszültség–alakváltozás diagramjait mutatják különbözõ hõmérsékleteken. Gyakorlati számításkor a szabvány táblázatosan adja meg a különbözõ anyagok mechanikai tulajdonságainak redukciós tényezõit a hõmérséklet függvényében. Mindenképpen érdemes megjegyezni, hogy a fent látható grafikonok az 1994-ben kiadott szabványból származnak. Az épület számítása e szabvány szerint készült. Azóta elérhetõ azonban a szabvány 2005-ös változata, amelyben a beton szilárdsági jellemzõinek változásán módosítottak. A jelenleg érvényben lévõ szabvány szerint adott hõmérsékleten az egyes feszültségi értékek nagyobb alakváltozások mellett alakulnak ki.

14

A beton szilárdsági jellemzõinek változása

Az EC4 az együttdolgozó szerkezetek és szerkezeti elemek (gerendák, oszlopok és födémlemezek) passzív, azaz saját tûzállóságával foglalkozik. Ha ez nem bizonyulna elegen dõnek, különbözõ módokon megóvhatjuk a szerkezeteket a felmelegedéstõl.

Öszvérszerkezetek . tûzteherre történõ méretezésérõl A következõ tömör összefoglalás az ENV 1994-1-2:1994 (EUROCODE 4 - Design of composite steel and concrete structures - Part 1-2: General rules – Structural fire design) szabvány alapján készült. Az egyes szerkezeti elemeknek háromféle követelményt kell kielégíteniük. Ezek a következõk: – Integritási követelmény (E): Nem alakulhatnak ki olyan repedések vagy nyílások, amelyek lehetõvé teszik, hogy a tûz forró gázok vagy láng formájában keresztülhatoljon az adott elemen.


–H õszigetelési követelmény (I): Az elválasztó elemek tûz nek nem kitett oldalán a hõmérséklet ne lépje túl a gyulladási hõmérsékletet. – Teherbírási követelmény (R): Az egyes szerkezeti elemek a tûzállósági idõ alatt legyenek képesek viselni a rájuk ható terheket. Az elsõ két feltétel természetesen csak térelválasztó funkciójú elemek (falak, födémek) esetében értelmezhetõ. Az egyes tûzállósági idõtartamok meghatározásához Magyarországon egyelõre csak szabálytervezet van, ami konform lenne az Eurocode-dal. E szerint az egyes épüle teket funkciójuk, méretük, kialakításuk szerint I.-tõl V.ig tûzállósági osztályokba sorolják. Az egyes tûzállósági osztályok esetén különbözõ követelményeket fogalmaznak meg a különféle szerkezeti elemekkel szemben. Az EC szerint különbözõ módszerek közül lehet választani a tûzteherre való méretezés során. Ezek a következõk: – táblázatos módszer, – egyszerûsített számítási eljárás, – részletes számítási modell. Komoly szerepe van továbbá a kísérletekkel kombinált számításoknak. A táblázatok gyakran használt szerkezeti elemekre adnak különféle korlátozásokat a szelvények méretére, az egysze rû számítási modellek szintén a legtipikusabb elemekre lettek kidolgozva. A részletes számítási modellek a teljes szerkezet, egy szerkezetrész vagy különállónak tekintett szerkezeti elem globális viselkedését szimulálják. A továbbiakban az elsõ kettõrõl lesz bõvebben szó. Az igénybevételek számítása eltér az általános esettõl, mivel a tûzteher a rendkívüli terhek csoportjába tartozik. Ezért az egyes biztonsági tényezõk értéke kisebb, mint normál hõmérsékletre való számítás esetében.

Méretezés a táblázatos eljárás szerint Az EC-ban táblázatok egyelõre gerendákra és oszlopokra vannak kidolgozva. A gerendák betonnal kiöntött acélszel vények, melyek födémlemezzel együttdolgoznak. Oszlopok esetén szintén kiöntött I szelvényekre, illetve kiöntött zárt szelvényekre létezik táblázat. Mind az oszlopra, mind a ge rendára hasonló elven dolgozták ki ezeket. A módszer alkalmazhatóságának feltételei vannak, határt szab a szelvény geometriájának, födémvastagságnak, vasa lásnak stb. A táblázat minimális értékeket szolgáltat a szelvényszélességre és az alkalmazandó betonacél területének és az öv keresztmetszeti területének a hányadosára a következõk függvényében: – tûzállósági követelmény, – szelvénymagasság és -szélesség aránya, – fiktív teherszint, mely a tûz során jellemzõ igénybevétel és a normál hõmérsékletû szelvény ellenállásának a hányadosa. További megszorításokat alkalmaz a szabvány a vasalás elhelyezésére nézve a szelvényszélesség és a tûzállósági követelmény függvényében. A szabvány 2005-ös kiadása módosításokat tartalmaz a korábbi változathoz képest a kiöntött I szelvényû oszlopok esetében. Általánosságban elmondható, hogy az elhelyezendõ vasalással szemben szi gorúbbak a követelmények, ugyanakkor a befoglaló szel vényméretet illetõen többnyire engedékenyebb.

Méretezés az egyszerûsített számítási eljárás . szerint A profillemezes öszvérfödémek az integritási követel ményt automatikusan kielégítik, a hõszigetelési követel mény teljesítéséhez minimális födémvastagság szükséges. Tûz esetén a födém teherbírását ugyanúgy kell számítani, mint normális hõmérsékletre, azzal a különbséggel, hogy figyelembe kell venni az egyes elemek szilárdságcsökkenését az adott hõmérsékletre. A trapézlemez természetesen kiesik a teherviselésbõl. A gerendák és oszlopok ellenállása is a normál esethez hasonlóan számítható, azzal a különb séggel, hogy a keresztmetszetet redukálni kell, illetve a keresztmetszet egyes alkotóelemeinek szilárdságát csökken teni kell. Az alábbi ábra egy gerenda pozitív nyomatéki ellenállása számításának elvi vázlatát mutatja.

ENV 1994-1-2:1994 szabvány E.1 ábra (57. oldal)

A számítás lényege a következõ: a keresztmetszetben a nyomást a beton viseli. Keresztmetszetét a tûzállósági határértéktõl függõen redukálni kell (hc.fi értékkel), a fe szültség azonban a normál hõmérsékleti értékkel vehetõ figyelembe. A húzást egyrészt az I szelvény, másrészt a vasalás viseli. Az idomacél felsõ övének keresztmetszetét redukálni kell, a feszültség viszont a 20 °C-on jellemzõ értékkel vehetõ figyelembe. A gerincet valamint az elsõ övet olyan módon kell számítani, hogy a keresztmetszetük teljes egészében figyelembe veendõ, a feszültséget azonban a hõmérséklet függvényében csökkenteni kell. Hasonlóan kell eljárni a betonacélok esetében is. A tûzteherre való méretezés eredményei szerint a födém eredeti kialakításban megfelel. A fõtartó is az eredetileg meghatározott IPE360 típusú melegen hengerelt szelvény, a benne tûzteherre elhelyezett vasalás: 2 Ø12, melynek helyzetét az acélszelvény gerincéhez hegesztett Ø8-as kengyelek biztosítják. A fióktartó azonban IPE 220 helyett IPE300as szelvény, 2 Ø25 vasalással. Az oszlop a gerendákhoz hasonló kialakítású, szelvénye: HEA320, vasalása: 4 Ø18. (normál hõmérsékletre történõ számításkor HEA260 ele gendõ lenne).

A számítás tanulságai Meg kell jegyezni, hogy az öszvérszerkezetek gazdaságos alkalmazásának korlátai vannak. Ezek elsõsorban az épület méretében, így annak befogadóképességében mutatkoznak meg. Az épület akkor a leggazdaságosabb, ha csupán egy tûzszakaszból áll. Egy tûzszakasz területe függ az épület magasságától, így az a kedvezõ, ha maximum 3 szintes a


15

parkolóház. Ezek a kötöttségek nagyjából 200 személygépkocsi tárolására alkalmas méreteket eredményeznek. Nagyobb épület esetén, ha az több tûzszakaszból áll, az egyes szakaszok közé tûzgátló kapuk elhelyezése szükséges, ami igen magas költséget jelent. A tûzszakaszok terüle tének meghatározásakor döntõ szerepe van annak is, hogy a parkolóház nyitott-e vagy zárt. Mindenképpen a nyitott változat alkalmazása a kedvezõbb. Érdekes megjegyezni, hogy bizonyos esetekben, geren dák számításakor a táblázatos eljárás és az egyszerûsített számítási eljárás ellentmondásra vezet. A számításomban a fióktartó a normál hõmérsékletre történõ méretezése szerint IPE220-as szelvény megfelel. A táblázatos méretezési eljárás szerint ugyanez a szelvény tûz esetén is teljesíti az R60-as követelményt, míg az egyszerûsített méretezési eljárás szerkesztési szabályai (minimális szelvényszélesség és -magasság, befoglaló keresztmetszet) egyértelmûen az IPE300-as szelvényt jelölik meg, mint legkisebb alkalmaz ható gerendaszelvényt. A számítás elvégzését követõen világossá vált, hogy a szerkezet ebben a kialakításban nem gazdaságos, hiszen a gerendák és oszlopok esetében a tûzteherre való méretezés szerkesztési szabályai voltak mértékadóak. Ez azt jelenti, hogy az épület egyes szerkezeti elemei az élettartamuk során várhatóan sosem lesznek elfogadható mértékben ki használva. Ezen tapasztalatok azt mutatták, hogy kedvezõbb kialakítás is lehetséges erre a parkolóházra. Ennek igazolására új raszter alkalmazása mellett is elvégeztük a statikai számítást normál hõmérsékletre és tûzteherre egyaránt. Az új kialakítás funkcionális szempontból is sokkal kedvezõbb, mivel itt nem akadályozzák oszlopok a gépkocsik ki- és beállását. A számítás az elõzetesen elvártaknak megfelelõen kedvezõ eredményt hozott, a tûzteherre sem kellett szelvényt növelni és normál hõmérsékleten is elfogadható a kihasználtság. A két variáns összehasonlítását tartalmazza az alábbi táblázat.

Ritka raszterû változat

A számítás eredményei azt tükrözik, hogy ez az öszvér szerkezet jól alkalmazható parkolóházak esetében, tûzteher figyelembevétele mellett is. Ezért véleményünk szerint érdemes lenne további számítások elvégzése, a nyugateurópai megépült példák tanulmányozása nem csak parkolóházak, hanem iroda- és lakóépületek esetében is. A statikai számítások mellett természetesen elõnyös lenne költségelemzések elvégzése is annak kiderítésére, hogy ami statikai szempontból igen kedvezõnek mutatkozik, az a gyakorlatban is megállja-e a helyét.

Felhasznált irodalom: – S tructural Steelworks Eurocodes Developement of a Trans-National Approach: Lecture 11.b: Fire Engineering Design of Composite Structures – NFATEC segédanyag – Takács Lajos: Épületszerkezetekre vonatkozó követelmé nyek és tûzszakaszolás – Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures Part 1-2: General rules – structural fire design 1994. oct. – Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures Part 1-2: General rules – structural fire design 2005. aug.

Födém

szelvény fesztáv/magasság mértékadó igénybevétel t=20 °C (+) mértékadó igénybevétel t=20 °C (-) mértékadó igénybevétel tûzre (+) mértékadó igénybevétel tûzre (-) ellenállás t=20°C-on (+) ellenállás t=20°C-on (-) ellenállás tûz esetén (+) ellenállás tûz esetén (-) mértékadó kihasználtság t=20 °C mértékadó kihasználtság tûz esetén

Sûrû raszterû változat mértékadó kihasználtság t=20 °C mértékadó kihasználtság tûz esetén

16

Amennyiben ez a szerkezeti kialakítás szélesebb körben is elterjedne, és a betonnal kiöntött idomacélok gyártása automatizált folyamattá válna, a kivitelezés feltehetõen gazdaságosan, rövid idõráfordítással megoldható lenne. A tanulmányban tárgyalt szerkezeti megoldás azért is kedvezõ, mivel az építészeti kialakítás gyakran a nagy tere ket részesíti elõnyben. Ez az igény egybevág a számítás eredményeképpen adódott gazdaságosabb, ritka raszterû változattal.

Fiókgerenda

Fõtartó

Oszlop

Comfloor70, 240mm IPE400 IPE750x173 HEA320 3.875 m 8.25 m 15.5 m 3.0 m 15.541 kNm/m 523.15 kNm 2209 kNm 19.973 kNm/m - - 1165 kN 8.432 kNm/m 296.817 kNm 1296 kNm 8.209 kNm/m 148.408 kNm 647.818 kNm 686.729 kN 54 kNm/m 599.929 kNm 2395 kNm 31.51 kNm/m - - 2619 kN 9.149 kNm/m 297.357 kNm 1399 kNm 16.975 kNm/m 280.946 kNm 1988 kNm 1005 kN 64.5 % 87.20 % 92.24 % 44.47 % 96.48 % 99.82 % 92.59 % 68.33 %

Comfloor70, 140mm 43.75% 75.50%

IPE300 50.60% 97.60%


IPE360 81.90% 76.90%

HEA320 17.40% 24.40%

Dr. Iványi Miklós egyetemi tanár, a műszaki tudomány doktora Pécsi Tudományegyetem, Pollack Mihály Műszaki Kar

ACÉLSZERKEZETEK TERVEZÉSE TŰZTEHERRE . AZ EUROCODE 3 SZERINT FIRE ENGINEERING DESIGN OF STEEL STRUCTURES . WITH EUROCODE 3 A cikk acélszerkezetek tűzteherre való vizsgálatát mutatja a SSEDTA elnevezésű Leanardo da Vinci nemzetközi projekt alapján: SSEDTA - EC 3 (1997-1999): „Acélszerkezeti tervezés az EUROCODE3 szerint. Nemzetközi oktatócsomag” (magyar koordinátor: Dr. Iványi Miklós).

The paper presents the fire engineering design of steel structures in the SSEDTA project that received funding within the European Union’s Leonardo da Vinci programme: SSEDTA - EC 3 (1997-1999): ”Structural Steelwork Eurocodes – Development of a Trans - National Approach” (Hungarian coordinator: Prof. Miklos Ivanyi).


17

18



19

20



21

22



23

24



25

Hivatkozás: Dr. Iványi Miklós (magyar koordinátor): Acélszerkezeti tervezés az EUROCODE 3 szerint. Oktatócsomag az EC 3 oktatásához Mûegyetemi Kiadó, Budapest 2001.

26


Dr. Jármai Károly egyetemi tanár Miskolci Egyetem

Szoftverek acélszerkezetek vizsgálatára . tűz esetén Softwares for investigation of steel structures in case of fire Az ECSC DIFISEK+ projektjének egyik fő célja, hogy egy nyilvánosan elérhető tűztervezéshez és tűzelemzés hez használatos szoftvercsomag-gyűjteményt állítson össze és értékeljen. A korrekt becslések érdekében szükséges az osztályozásuk és egy minősítési kritérium meghatározása. 1992-ben, Friedman felmérte a számítógépes tűzmodell programokat a Nemzetközi Tűzvédelmi Kutatások Együttműködési fórumán. 2003-ban, Olenick és Carpenter frissítették ezeket más szoftverekkel, és meghatározták a kategóriájukat. Ebben a tanulmányban bemutatunk egy új osztályozást, amely figyelembe veszi az előzőleg meghatározott osztályokat és egy szoftverlistát, kiemelve a tűzvédelemi szoftverek nyilvános elérhetőségét. Az anyagban megadunk több fontos szempontot a tűzvédelmi szoftverek kiértékeléséhez. Ilyen a módon nyújtunk segítséget a szoftverek kiválasztásához, amelyekre a felhasználónak a leginkább szüksége van. Összesen 177 szoftver létezik, ezek közül 30 a nyilvánosság számára is elérhető.

ABSTRACT: One of the main objectives of the ECSC project DIFISEK+ is the collection and evaluation of publicly available software for fire design. In order to evaluate them in a correct manner it is necessary to classify them and to establish an evaluation criterion. In 1992, Friedman performed a survey of computer fire models for the Forum for International Co-operation on Fire Research. In 2003, Olenick & Carpenter updated it incorporating more softwares and a discussion of the categories of them. In this document we present a new classification taking into account the classification defined by them and updating the list of softwares, highlighting the publicly available fire software. In this document we establish the more important aspects to broach for evaluate fire software. In this manner we provide a guide to select the fire software that fits better to users needs. A total of 177 softwares have been detected, 30 of them are publicly available.

1. BEVEZETÉS A szerkezeti tűzvédelem célja, hogy megbízható számítási módszereket dolgozzon ki tűz esetén is biztonságos szerkezetek tervezéséhez. Ennek a célnak az eléréséhez szükséges a módszereken keresztül történő bemutatás, hogy a szerkezet megtartsa teherbíró képességét hosszabb periódusig, mint a szerkezetre tűz esetén előírt biztonsági ideje (lásd 1. ábra). Az utóbbi 15 évben több projekt készült, hogy számítási módszereket fejlesszenek ki a szerkezetek tűzállóságának meghatározására. Minden ilyen módszerre hivatkoznak az Eurocode-ok amelyek összefüggenek a különböző eseményekkel, melyek tűz esetén előfordulhatnak (lásd 2. ábra – eseményláncok).

1. ábra: A biztonságos szerkezet eléréséhez szükséges követelmény

A szerkezet biztonságának meghatározásához szükség van arra, hogy világosan ismerjük a szerkezettel szembeni elvárásokat, melyeknek a szerkezetnek eleget kell tennie. Normál esetben ezek az elvárások az idő szerint vannak meghatározva. Minden országban szabványokkal és előírásokkal határozzák meg ezen elvárásokat (előírt elvárások). A tűzvédelemben különböző eljárásokat fejlesztettek ki, hogy meghatározzák ezen elvárásokat több reális módon (viselkedés alapú elvárások; lásd 3. ábra – elvárások). Annak érdekében, hogy megkapjuk ezt a két paramétert (R a szerkezet tűzállósága és R a biztonság szempontjából szükséges), számos tűzvédelmi szoftvert fejlesztettek ki. Az összes 177 tűzvédelmi szoftverből 30 elérhető nyilvánosan.

2. ábra: Eseményláncok a tűzeset alatt


27

kalmazási területe szerint és nem a különböző hatásokat szolgáló matematikai módszerek szerint történik. Ebben az osztályozásban két csoportot különböztethetünk meg egymástól (lásd 4. ábra): – Az első szorosan összefügg a szerkezet termikus és mechanikus reagálásával tűz esetén (lásd 2. ábra Ese ménylánc). – A második az előírások meghatározására összpontosít, hogy a szerkezet tűz esetén is biztonságos maradjon.

3. ábra: Elvárások

Ebben a tanulmányban nemcsak egy tűzvédelmi szoftvergyűjteményt szeretnénk megadni, hanem szeretnénk segítséget nyújtani azok pontos és megfelelő kiválasztásához. Nagyon fontos tudnivaló, hogy mi is az a tűzmodell, tűz védelmi szoftver és mi is a felhasználási területük ezeknek a tűzvédelmi modelleknek, hogy értékelni tudjuk őket. A tűzvédelmi modell egy eszköz, mely leír egy eseményt a tűzre vonatkozólag a meggyulladástól az evakuáláson át a szerkezet összeomlásáig (nemcsak a tűzterjedés folyamatát és a füstterjedés folyamatát). Minden modell széttagolható kísérleti és matematikai modellekre. A kísérleti modelleket fizikai vagy emberközeli területeken alkalmazzák, ezek a modellek ennek az anyagnak a témakörén kívül esnek. A matematikai modellek számos egyenleten alapulnak és leírnak dolgokat, a mi esetünkben a tűzre vonatkozó ese ményt. Ezen modellek képezik jelen anyag vizsgálódásának tárgyát. A matematikai modellek feloszthatóak determinisztikus és statisztikai modellekre. Az előzőek fizikai, termikus és kémiai törvényeket foglalnak magukba, míg a statisztikai modellek nem közvetlenül ezekkel a törvényekkel foglal koznak, hanem inkább statisztikai közelítéseket adnak egy eseményre. Az egyenletek összetettsége és az iterációk nagy száma miatt szükséges a számítógépek alkalmazása. A tűzvédelmi szoftverek valójában eszközök ezeknek a matematikai egyenleteknek a megoldásában, mind a determinisztikus, mind pedig a statisztikai modell esetén. Rengeteg esemény társulhat a tűzhöz. A szoftver értékelésének leegyszerűsítése céljából megalkottuk a legáltaláno sabb eseményeket szolgáló funkciók szerinti osztályozást (felhasználási területe a szoftvernek).

4. ábra: Alkalmazási területek csoportjai

2.1 Termikus tűzmodellek Ebben a felhasználási területben több típusú szoftvert találunk, melyek tűz esetén a termikus reagálás meghatá rozását szolgálják. Hogy osztályozhassuk őket, követjük az EN 1991-1-2:2002 szabványt, „Termikus hatások a hőmér séklet-vizsgálathoz” (lásd 5. ábra).

2. T ŰZVÉDELMI SZOFTVEREK OSZTÁLYOZÁSA

5. ábra: T ermikus hatások a hőmérséklet-vizsgálathoz – Termikus tűzmodellek

A legáltalánosabb tűzvédelmi szoftver leírja a füst- és hőáramlást egy adott területen. Ezeket a szoftvereket zónamodellnek vagy területi modelleknek nevezzük. Azonban több modelltípus létezik az alkalmazási területeik szerint, mint szerkezeti tűzellenállási vagy detektor-reagálásos modell. Az osztályozás Olenicktől és Carpentertől lett átvéve, mely hat alkalmazási területet definiál: szerkezeti tűzellenállás, zóna-, területi, kiürítési, detektor-reagálásos és vegyes modell. Mi csökkentettük az alkalmazási területek számát ötre, egyesítve a zóna- és a területi modelleket egy sokkal általánosabb névbe: „Termikus tűzmodellek” Ezáltal nyertünk egy olyan osztályozást, mely csak a szoftver al-

Eszerint a termikus tűzmodellek osztályozása a következő: – Egyszerűsített termikus tűzmodellek: Kamra és lokalizált tüzekre bontva. – Fejlett termikus tűzmodellek. Zóna- és területi model lekre bontva.

28

2.1.1 Egyszerűsített termikus tűzmodellek Ezek a modellek speciális fizikai paramétereken alapsza nak, korlátozott felhasználási területekkel. A kamratüzek hez egyenletes hőmérséklet-eloszlást, a lokalizált tüzekhez nem egyenletes hőmérséklet-eloszlást vettünk föl.


Alkalmazási terület: Egyszerűsített termikus tűzmodell Modell

DIFISEK-CaPaFi

Ország

Luxemburg

DIFISEK-EN 1991-1-2 Luxemburg Annex A

DIFISEK-TEFINAF

Parametrická teplotní křivka

Přestup tepla

Luxemburg

Cseh Köztársaság

Cseh Köztársaság

Azonosítószám

Rövid leírás

1

Acélelem hőmérsékletének számítása hevítéskor 1-től 5 tűzforrás esetén. Az EN 1991-1-2 alapján, EN 1993-1-2 és az ECSC „Nagyméretű Kamra” és „Zárt parkolók” projektek.

2

Parametrikus hőmérséklet–idő görbe számítása a kamrában és a tűzvédelmileg burkolt és burkolatlan acélelemek hőmérsékletének ábrázolása a parametrikus hőmérséklet–idő diagramban. Az EN 1991-1-2 Annex A és az EN 1993-1-2 szabvány alapján.

3

A hőmérsékletmezők számítása az acélkeresztmetszetben a men�nyezet alatt az eltelt idő és a tűztől mért radiális távolság szerint. Az EUR 18868 jelentés „Nagykamrában természetes tűznek kitett acélszerkezetek tervezésének kutatása” szerint.

174

Parametrikus hőmérséklet–idő görbe számítása kamratűz esetén. A szükséges adatok: a kamra és a nyílások méretei, a tűzterhelés, a fal anyagi jellemzői. Használható minden geometriai formája a kamrának, és bármennyi számú ablak. A paraméterek kiszámíthatóak és a képernyőn megjeleníthetőek.

175

Tűznek kitett acélelemek hőmérsékletének számítására. Növekményes módszert alkalmaz, az EN 1993-1-2 szabványban leírtak szerint. A szelvények lehetnek tűzvédelmileg burkolatlanok, vagy szórt bevonó anyaggal vagy lapokkal burkoltak. A program adatbázist tartalmaz a melegen hengerelt acélszelvényekre, melyeket alkalmazhatunk, de megengedi, hogy felhasználóként magunk is bevihessük a szelvényállandó A/V adatait. Szabványgörbék, szénhidrogéngörbék vagy parametrikus görbék (a paraméterek bemenő adatai kötelezőek) használhatóak. A gáz- és az acélhőmérséklet a képernyőre kirajzolható és szöveges leírást is mellékel hozzá a szoftver.

Az első három szoftvert a Profil-Arbed készítette és később „Profile Arbed Researchers” (PARE)-nek nevezték el ezeket a projekteket. A többit a FINE, CTU Prága alkotta meg, és elérhetőek a www.access-steel.cz/pege-nastroj címen.

2.1.2 Fejlett termikus tűzmodellek 2.1.2.1 Zónamodellek A zónamodell egy számítógépes modell, amely a szobá (ka)t felosztja külön ellenőrizhető térfogatokra vagy zónák ra. A legáltalánosabb modelleknél a szobák két zónára osztottak, egy felső forró zónára és egy alsó hideg zónára. Egy különleges esete a zónamodelleknek az egyzónás modell. Ezek azon feltevésen alapulnak, hogy a kamrában nincsenek rétegződések, és a tűzkamra felfogható egy kemenceként, ahol homogén tulajdonságok uralkodnak. Néhány zónamodell magában foglalja a lehetőségét annak, hogy kétzónás modellből egyzónás modellé változzon a folyamat alatt, mikor a jellemzők értékei ezt elérik (fellobbanás). Hogy lehetségessé váljon az alapegyenletek használata, amelyekre ezek a modellek épülnek, a tűzvédelmi mérnököknek több feltételezést kell tenniük. Számos feltételezés ezek közül gyakorlati tesztek és modellek megfi gyeléseire alapszik. A fő feltevések a következők:

• A füst két elkülönülő rétegből áll (ahogy a valós tüzeknél látható). A füstrétegeket állandó vastagságúnak tekintjük, ami valójában nem igaz, azonban a rétegen belül a vastagságkülönbségek kicsik, ezért ez a feltételezés elfo gadható. • A tűzcsóva úgy működik, akár egy anyagpumpa (füst részecskéinek) és hevíti a felső zónát. A csóva térfogata kicsi, ezért a felső és alsó zóna között elhanyagolható a különbség. • A szoba tartalmának nagy része megsemmisült; a hő a szobaburkolatot teszi tönkre, nem a bútorokat. (Néhány zónamodell lángja határozottan kevés bútort emészt föl.) A bemeneti adat általában a szoba geometriája, szerkezete (beleértve minden falat, padlót és mennyezetet), a nyílások száma és azok mérete, a bútor karakterisztikája és a hőfelszabadulás (mi az, ami lángol). A kimeneti adat általában a tűzoltó és riasztóberendezés reagálásának ideje, a tűz fellobbanásának ideje, a felső és az alsó réteg hőmérséklete, a füstréteg magassága és a megfolyt elemek. A zónamodellek nem tudják pontosan figyelembe venni a környezet visszasugárzását. A hőmérséklet-csökkenés nem kimeneteli adat. Tesztek kellenek a tűzméret meghatározására, hogy mérnöki szakértelemmel megfelelően lehessen meghatározni minden esetben a modell jellemzőit.


29

Alkalmazási terület: Zónamodellek Modell

Ország

Azonosító szám 4 5 6

Rövid leírás

ARGOS ASET/ASET-B ASMET

Dánia USA USA

Branzfire

Új-Zéland

7

BRI-2 CCFM/Vents

8 9

CiFi COMPBRN COMPF2 DACFIR-3 DSLAYV

Japán/US USA Németország/ Norvégia Franciaország USA USA USA Svédország

FAST/CFAST

USA

16

FASTLite FFM FIGARO II FIRAC FireMD FireWalk FireWind FIRIN FIRM FIRST FLAMME-S FMD HarvardMarkVI HEMFAST HYSLAB IMFE MAGIC

USA USA Németország USA USA USA Ausztrália USA USA USA Franciaország USA USA USA Svédország Lengyelország Franciaország

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

MRFC

Németország

34

NAT

Franciaország

35

NBS NRCC1 NRCC2 OSU Ozone POGAR

USA Kanada Kanada USA Belgium Oroszország

36 37 38 39 40 41

RADISM

UK

42

RFIRES R-VENT SFIRE-4 SICOM SMKFLW Smokepro SP WPI-2

USA Norvégia Svédország Franciaország Japán Ausztrália UK USA

43 44 45 46 47 48 49 50

Többszobás zónamodell Egyzónás szobamodell szellőzés nélkül Atria Dohányzás kezelő mérnöki program. Egy többzónás szobamodell, amely magába foglalja a láng szóródását és a tűz növekedésének modelljét a tűztervében. Kétréteges zónamodell többszintes, többszobás füstáramlással. Többzónás szobamodell szellőzéssel. Kamratüzes zónamodell különösen szénhidrogén folyadéktároló tüzek re. Többszobás zónamodell. Kamra-zóna modell. Egyszobás késői tűz fellobbanásos kamramodell. Repülőgépkabin zónamodellje. Egyszerű kamra zónamodell. A kamra szerkezetében a környezet jellemzőinek meghatározására szolgáló zónamodell. CFAST jellemzőinek korlátozott verziója. Elő-tűz fellobbanás zónamodell. Zónamodell a védhetetlenség meghatározására. FIRIN használata, összetett szellőzőrendszer esetén. Egyszobás, kétzónás modell. CFAST modell használata magyarázó grafikával. Többszobás modell számos alárendelt modellel. Többszobás zónamodell vezetékekkel, szellőzőkkel és szűrőkkel. Egyszobás, kétzónás modell. Egyszobás zónamodell szellőzéssel. Kétzónás modell. Zónamodell átriumokhoz. A FIRST korábbi verziója. Bútortűz a szobában. Elő-tűz fellobbanási zónamodell. Egyszerű kamra zónamodellje szellőzéssel. Kétzónás modell atomerőműhöz Többszobás modell, füstmozgáshoz és termikus terheléshez a szerkezeten. Egyszerű kamra zónamodellje a szerkezet viselkedésének megfigyelésére. Elő-tűz fellobbanási zónamodell. Egyszerű kamra zónamodellje. Nagy irodaterület zónamodellje. Egyszerű kamra zónamodell. Zónamodell a szerkezet viselkedésének megfigyelésére. Egyszerű kamra zónamodellje. Zónamodell egyesítve a tűzbe burkolt mennyezetet és a felső réteget valamint a tűzoltó berendezéseket és a szellőzést. Elő-tűz fellobbanás zónamodell. Egyszerű szoba füst szellőzési modellje. Utó-tűz fellobbanás zónamodell. Egyszerű kamra zónamodellje. Egyrétegű zónamodell az épületen belüli füstszállításra. Egyszerű kamra zónamodellje. Utó-tűz fellobbanás zónamodell. Egyszerű kamra zónamodellje.

WPIFIRE ZMFE

USA Lengyelország

51 52

Többszobás zónamodell. Egyszerű kamra zónamodellje.

Cfire-X

30

10 11 12 13 14 15


A legtöbb szoftver ezek közül a füst és hő terjedésére összpontosít. A szerkezeti tűzvédelemben a felhasználási területük főként a gáz hőmérsékletének meghatározására szolgál (azért, hogy a következő lépésben a szerkezet elemeinek hőmérsékletét határozzák meg). A vastagon szedett szoftverek dominánsan a szerkezetek tűzvédelmi tervezésére specializálódtak. A dőlt betűs szoftverek különleges esetekre szolgálnak, és alkalmazásuk a szerkezet tűzvédelmi tervezésére nem jelentős. Három másik létező programot találtunk, azonban nem sikerült velük kapcsolatban érdemleges információkat gyűjtenünk: CISNV (Oroszország), FirePro (UK) és FireWalk (USA).

2.1.2.1 Mezőmodellek: A terület- vagy mezőmodellek képviselik a tűzvédelmi tervezés legfejlettebb területét. A CFD modell egy 3 dimenziós rácsot alkalmaz a vizsgálandó területre. Ezek a vizsgálandó területek hasonlóak a zónamodellnél használtakhoz, azonban a zónamodellnél két vagy három zónát alkalmaztak. Egy CFD modellnek lehet száz vagy akár ezernyi vizsgálandó területe. A CFD modell megoldja az időfüggő differenciálegyen leteket (mint ismert a Navier–Stokes-egyenletek), minden vizsgálandó területre. Ez a részletes közelítés sokkal bo nyolultabb és időigényesebb, de a Navier–Stokes-egyenleteket csak a határfelületek korlátozzák a problémameg oldás során. Ez kevesebb előzetes feltételezést igényel és összetettebb szobageometriát tesz lehetővé.

A bemeneti adat a részletes szobageometria, szobaszer kezet (beleértve a falakat, padlózatot és a mennyezetet) a szellőzések száma (vagy nyílásoké) és azok méretei, a szoba bútorzata, a tüzelőanyag/égés karakterisztikája, a turbulencia paraméterei és a sugárzási paraméterek. A kimeneti adatok a füst és a hő mozgása/sebessége, a tűzoltó berendezés és a tűzjelzők aktiválási ideje, a tűz fellobbanási idő, a tartomány hőmérsékleti értéke, sebességek, a füstréteg magassága és a tűz típusa. A CFD nagy számítási idő igényű, amelyet nagymértékben befolyásol a vizsgálandó területek száma, néhány paraméter, fölvett adat. A CFD modelleket ellenőrizni, hitelesíteni kell, mielőtt teljesen megbízhatónak mondjuk. A CFD modellek használhatóak összetett geometriánál (például görbe falak). A CFD modellezés kifejezetten használható más mérnöki területeken is, mint mechanika és aerodinamika, ez azt jelenti, hogy rengeteg mérnök sokkal több területen alkalmazza, mint a zónaelemzés, tesztelés, fejlesztések és a CFD előírások igazolásához. A szoftverek legtöbbje tűz esetén a hőátadásra és a füst terjedésére összpontosít. A felhasználási területük alapvetően a szerkezetek tűzvédelmi tervezéseinél a szerkezeti elemek hőmérsékletének meghatározására szolgál. A vastagon szedett szoftverek általánosan felhasználható CFD kódok. A dőlt betűs szoftverek a különleges esetekre fókuszálnak és a szerkezetek tűzvédelmi tervezésére kevésbé alkalmazhatók. Három másik program is megtalálható ezeken kívül, de érdemleges információ nem található velük kapcsolatban: STREAM (Japán), VESTA (Hollandia) és a FLOTRAN (USA).

Alkalmazási terület: Mezőmodellek Modell

Ország

Azonosító szám 53

Rövid leírás

ALOFT-FT

USA

Füst mozgása a nagy külső tüzek esetén.

CFX

UK

54

Általános célú CFD szoftver

FDS

USA

55

CFD előírások a tűzzel összefüggő áramlásokra.

FIRE

Ausztrália

56

FISCO-3L

Németország/ Norvégia

57

FLUENT

USA

58

Alapvető célja a CFD szoftvernek

JASMINE

UK

59

KAMALEON

Norvégia

60

KOBRA-3D

Németország

61

CFD modell a tűz és füst oltására. CFD modell a szerkezet termikus reagálásának hoz. CFD modell a hőátadásra és a füst eloszlásra.

MEFE

Portugália

62

CFD modell egy vagy két kamrára a termoelemek reagálási idejével.

PHOENICS

UK

63


RMFIRE

Kanada

64

Kétdimenziós mezőmodell a füstmozgás átmeneti számításához.

SMARTFIRE

UK

65

Tűzmezőmodell.

SmokeView

USA

66

Eszköz az FDS adatainak megjelenítésére.

SOFIE

UK/ Svédország

67

CFD modell a tűz és füst terjedésére.

SOLVENT

USA

68

CFD modell a hőátadásra és a füst terjedésére csőben.

SPLASH

UK

69

Mezőmodell a tűzoltó berendezésnek a gázokra gyakorolt hatására.

STAR-CD

UK

70


TUNFIRE

UK

71

CFD modell a hőátadásra és a füst terjedésére csőben.

UNDSAFE

USA/Japán

72

Mezőmodell kültéri és beltéri tüzekhez.

CFD modell vízpermetre és szilárd/folyékony fázisú éghető anyagra az égési arány és az eloltási folyamat meghatározására. Egyszobás mezőmodell a tűzoltó berendezés működésének leírására erős gázképződés, vagy természetes szellőzés esetén.


végeselemes kódjai-

31

Szerkezettervezési modell Elemanalízis Előzetesen megadott szabályok

Szerkezetrész analízise Teljes szerkezet analízise Elemanalízis

Viselkedés alapú szabályok

Szerkezetrész analízise Teljes szerkezet analízise

A mechanikai folyamatok és határok számítása A mechanikai folyamatok kiválasztása A mechanikai folyamatok és határok számítása A mechanikai folyamatok kiválasztása

Táblázatos adatok

Egyszerű számítási módszerek

Fejlett számítási módszerek

IGEN

IGEN

IGEN

NEM

IGEN, ha lehetséges

IGEN

NEM

NEM

IGEN

NEM

IGEN, ha lehetséges

IGEN

NEM

NEM

IGEN

NEM

NEM

IGEN

6. ábra: Szerkezeti tervezések osztályozása

2.2 Szerkezeti tűzvédelmi modell Ezek a modellek szimulálják az épületek szerkezeti ele meinek reagálását tűz esetén. Fő céljuk a tűzzel érintkező szerkezeti elemek tönkremeneteli idejének meghatározása. Termikus és mechanikai törvényeken alapulnak. Mint a termikus tűzmodelleknél is, a szoftvereknél is különböző típusait találhatjuk meg a szerkezetek tűz esetén történő mechanikai viselkedésének elemzésére. Osztályozásukhoz az Eurocode-ok (EN 1991-1-2:2002 és EN 1993-1-2:2005) szabvány szerinti osztályozást alkalmazták (lásd 6. ábra). A szerkezeti tűzellenállási modellek osztályozása feloszt ható az egyszerűsített és a fejlett szerkezeti tűzvédelmi szoftverekre.

A bemeneteli adatok rendszerint a szerkezeti elemek anyagi jellemzői és a peremfeltételek (beleértve a tűzterhelést is). A kimeneti adatok a tönkremeneteli idő, a feszültség és az elemek elmozdulása.

2.2.1 Egyszerűsített szerkezeti . tűzvédelmi modellek Ezek a modellek egyedi módon számítják a szerkezeti elemek viselkedését, a legtöbb szerkezeti elem el van kü lönítve a szerkezet többi részétől, és egyszerűsített módszereken alapszik a számítás. Néhány ezek közül beépül a zóna- vagy mezőmodellekbe. A dőlt betűs szoftverek csak a beton szerkezeti elemekre használhatóak.

Alkalmazási terület: Egyszerűsített szerkezeti tűzvédelmi modellek Modell AFCB

Ország Luxemburg

Azonosító szám Rövid leírás 73 Kompozit gerenda Eurocode 4 szerinti tűzvédelmi tervezése.

AFCC

Luxemburg

74

Kompozit gerenda Eurocode 4 szerinti tűzvédelmi tervezése.

CIRCON

Kanada

75

Tűzvédelmi modell a kör alakú vasbeton oszlopokhoz.

COFIL

76

Tűzvédelmi modell betonnal kiöntött acél csőszelvényekhez.

173

Acélszerkezeti elemek tűzvédelme az Eurocode 3 EN verziója szerint.

Elefir

Kanada Portugália/ Belgium Belgium

77

H-Fire

Németország

78

INSTAI

Kanada

79

Acélszerkezeti elemek tűzvédelme Eurocode 3 szerint. Tűznek kitett kompozit elemek tűzvédelmi tervezése az EN 1994-1-2 szabvány szerinti egyszerűsített számítással. Tűzvédelmi bevonatú csőszelvényű acéloszlopok tűzvédelmi tervezése.

INSTCO

Kanada

80

POTFIRE

Franciaország

81

RCCON

Kanada

82

RECTST

Kanada

83

Betonnal kiöntött csőszelvényű oszlopok tűzvédelmi tervezése. Betonnal kiöntött zárt szelvények tűzvédelmi tervezése – az Eurocode 4 G melléklete szerint. Tűzvédelmi modell négyszög szelvénnyel megerősített betonoszlopok hoz. Tűzvédelmi bevonatú négyszög szelvényű acéloszlopok tűzvédelme.

SQCON

Kanada

84

Tűzvédelmi modell négyszög szelvényű vasbeton oszlopokhoz.

WSHAPS

Kanada

85

Tűzvédelmi bevonatú W alakú acéloszlopok tűzellenállása.

176

Tűznek kitett acélelemek ellenállásának számítása. A számítás az EN 1993-1-2 szabvány alapján történik. A program adatbankot tartalmaz a melegen hengerelt acélszelvényekről. Szabványgörbe, szénhidrogéngörbe vagy parametrikus görbe (a parametrikus bemeneti adatok szükségesek) hasznos lehet a tűz viselkedésének leírására. Az elemek lehetnek húzással, nyomással, hajlítással vagy axiális erőkkel párosult hajlítónyomatékkal terheltek.

Elefir-EN

Požární odolnost

32

Cseh köztársaság


2.2.2 Fejlett szerkezeti tűzvédelmi modellek Ezek a modellek szimulálni tudják a szerkezet egy részének vagy egészének statikai vagy dinamikai modelljeit, és megbecsülik a szerkezet esetleges teljes összeomlásának idejét. Ezek a szoftverek gyakran végeselemes módszert al kalmaznak és általános felhasználásúak.

A dőlt betűs szoftverek nem alkalmazhatóak acélszer kezetekhez. A vastag betűs szoftverek általános felhasználású végeselemes programok. Másik két modell létezik még, azonban érdemleges információ nem szerezhető róluk: HEATING és TAS (USA).

Alkalmazási terület: Fejlett szerkezeti tűzvédelmi modellek Modell

Ország

Azonosító szám

Rövid leírás

ABAQUS

USA

86

Általános végeselemes módszer.

ALGOR

USA

87


ANSYS

USA

88


BoFire

Németország

89

A BoFire egy tranziens, nemlineáris, növekményes számítógépes végeselemes módszer. Az anyagi jellemzők, a termikus és a mechanikai meghatározások az ENV 19941-2 szabvány szerintiek. Acél beton és kompozit betonacél vizsgálható.

BRANZ-TR8

Új-Zéland

90

Ez a program vasbeton, vagy előfeszített beton födémek tűzvédelmi ellenállásának vizsgálatára szolgál.

CEFICOSS

Belgium

91

Tűzvédelmi modell.

CMPST

Franciaország

92

Magas hőmérsékletű szelvény mechanikai ellenállásához.

COMPSL

Kanada

93

Tűznek kitett többrétegű lemezek hőmérsékletéhez.

COSMOS

USA

94


FASBUS

USA

95

Tűznek kitett szerkezeti elemek mechanikai ellenállási modellje.

FIRES-T3

USA

96

Végeselemes hőátadás 1, 2 vagy 3D-s vezetéshez.

HSLAB

Svédország

97

Tranziens hőmérséklet-emelkedéshez egy vagy több anyagból álló tűznek kitett lemez esetén.

LENAS

Franciaország

98

Tűznek kitett acélszerkezetek mechanikai viselkedéséhez.

LUSAS

UK

99

Alapvető szoftver mérnöki vizsgálatokhoz.

NASTRAN

USA

100


SAFIR

Belgium

101

Tűznek kitett szerkezet tranziens és mechanikai vizsgálatához.

SAWTEF

USA

102

Tűznek kitett összerögzített fémlemez és fagerenda szerkezetvizsgálat.

SISMEF

Franciaország

103

Tűznek kitett acél és betonszerkezet mechanikai vizsgálatához.

STA

UK

104

Tranziens hővezetés tűznek kitett szerkezeti elemeknél.

STELA

UK

105

JASMINE és SOFIE háromdimenziós véges térfogat módszerek a szerkezeti elemek termikus reagálásához.

TASEF

Svédország

106

Végeselemes program a tűznek kitett szerkezeti elemek hőmérsékletének vizsgálatához.

TCSLBM

Kanada

107

Tűznek kitett beton lemez/gerenda szerelvények kétdimenziós hőmérséklet eloszlá sához.

THELMA

UK

108

Végeselemes program a tűznek kitett szerkezeti elemek vizsgálatához.

TR8

Új-Zéland

109

Betonlemezek és padlózatok tűzellenállásához.

VULCAN

UK

110

Háromdimenziós lángvizsgáló program, melyet acél és kompozit keretek modellezéséhez fejlesztettek ki beleértve a padlólemezeket.

WALL2D

Kanada

111

A hőmérséklet átadását megbecsüléséhez tűznek kitett faburkolatú falak esetén.

177

A FINE 10 statikus rendszer kiegészítése. Tűznek kitett acélszerkezeti elemek ellenál lásának vizsgálatához. A számítások az EN 1993-1-2 szerint történnek. A program adatbankot tartalmaz a melegen hengerelt szelvényekről, saját felhasználói adato kat is bevihetünk, a tűzvédelem megbecsülhető. Szabványgörbe, szénhidrogéngörbe vagy parametrikus görbe (a parametrikus beviteli adatok szükségesek) használha tóak a tűz viselkedésének leírásához. Az elemek lehetnek húzással, nyomással, hajlí tással vagy axiális erőkkel párosult hajlítónyomatékkal terheltek. A belső erők érté kei a szerkezetvizsgálat során a FINE 2D vagy FINE 3D programokból adódnak.

Ocel požár

Cseh Köztársaság


33

2.3 Kiürítési modellek

2.4 Érzékelő reagálási modellek

A kiürítési modellek megbecsülik az épületevakuáláshoz szükséges időt. Ezek a modellek leginkább a viselkedés alapú tervezés vizsgálatához, mint alternatív tervezéshez és az evakuálás torlódás vizsgálásához alkalmasak. Néhány ilyen modell kötődik a zóna-, vagy a mezőmodel lekhez, hogy meghatározza az épületen belüli elviselhe tetlen állapot kialakulásának idejét. A legfejlettebb program már figyelembe vesz olyan érdekes pszichológiai dolgokat, mint az emberi viselkedés tűz esetén, a légszennyezés hatását vagy a láthatóság csökke nését. Néhánynak nagyon jó grafikája van, például az emberek mozgására az épület evakuálása alatt. A bemeneti adatok általában az épület lakóinak száma, az épület geometriája (kijáratok, lépcsők, liftek és folyosók stb.). A kimeneti adatok az épület evakuálásához szükséges idő és a torlódási pontok elhelyezkedése. Ezek általában statisztikai modellek. További öt program létezik, de érdemleges információ nem volt megtalálható: BFIRE, ERM, Magnetic Simulation, Takashi´s Fluid Model és a VEGAS (UK).

Az érzékelő reagálási modellek határozzák meg a hatékony tűzbiztonsági berendezések aktiválási idejét, mint például a hő-, vagy füstérzékelőkét. Ezek a modellek a zónamodellt alkalmazzák, hogy meghatározzák a füst és hő terjedését, és almodelleket használnak a hőérzékelő reagálási idejének meghatározására a füst és hő hatására. Ezek a modellek egyszerűsítettek, hogy meghatározzák a hőátadást az érzékelő elemekre az aktiválási idő kiszámítása céljából. A bemeneti adatok általában a vizsgálati érzékelők ele meinek karakterisztikája, a helyeik és a hőeloszlásarány a tűzben. A legérzékenyebb modellek a kamra geometriáját és az anyagok jellemzőit is figyelembe veszik. A kimeneti adat az érzékelők reagálási ideje, fejlettebb modelleknél az aktiválás hatásai is. Szükséges a modell pontos kiválasztása, mert néhány modell csak sík, vagy nyílt téri mennyezet esetén alkalmaz ható. Még egy modell létezik, de érdemleges információ nem érhető el róla: HAD.

Alkalmazási terület: Kijáratok Modell

Ország

Azonosító

Rövid leírás

AEA EGRESS

USA

112

A kiürítési folyamat vizsgálata.

ALLSAFE

Norvégia

113

Kiürítési modell emberi tényezőkkel.

ASERI

Németország

114

Bonyolult geometriájú épületekben az emberi mozgás és a füst és tűz terjedésének modellje.

BGRAF

USA

115

Vészkijárat-modellek, melyek az emberi döntések sztochasztikus modelljét alkalmazzák.

EESCAPE

Ausztrália

116

Többszintes épületek lépcsőn keresztüli evakuálásának modellje.

EGRESS

UK

117

Összetett geometriai szemléltető kiürítési modell.

EGRESSPRO

Ausztrália

118

Kiürítési modell, mely tartalmazza a tűzoltó berendezések és tűzérzékelők aktiválását.

ELVAC

USA

119

Többszintes épület liften keresztüli evakuálásának modellje.

EVACNET

USA

120

Az evakuálás optimális tervének meghatározása.

EVACS

Japán

121

Az optimális evakuálási tervezés modellje.

EXIT89

USA

122

Magas épületek evakuálása.

EXITT

USA

123

Kiürítési modell csomóponti és íves elemekkel, az emberi viselkedéstényezők figyelembevételével.

EXODUS

UK

124

Biztonságtechnikai evakuálási szoftver.

GRIDFLOW

UK

125

Szimuláció többszintes épület minden emeletének kiürítéséhez és az épület teljes kiürítéséhez szükséges idő meghatározására.

PATHFINDER

USA

126

Kiürítési modell.

PEDROUTE

UK

127

Gyalogos szimulációs modell.

SEVE_P

Franciaország

128

Torlódásokkal ellátott grafikus kiürítési modell.

SIMULEX

UK

129

Koordináta alapú kiürítési modell.

STEPS

UK

130

3D-s szimulációs modell a torlódásos mozgásokhoz.

WAYOUT

Ausztrália

131

FireWind programcsomaghoz kiürítési modell rész.

34


Alkalmazási terület: Érzékelő reagálási modellek Azonosító

Rövid leírás

ASCOS DETACT-QS

Modell

USA USA

Ország

132 133

DETACT-T2

USA

134

FPETOOL

USA

135

G-JET JET

Norvégia USA

136 137

LAVENT

USA

138

PALDET

Finnország

139

SPARTA

UK

140

SPRINK TDISX

USA USA

141 142

Füstérzékelő rendszer vizsgálata. Nyílt téri mennyezet hőérzékelőjének aktiválási idejének meghatározása. Szabadtéri mennyezet hőérzékelőjének aktiválási idejének meghatározása t2 tűz esetén. A mérnöki egyenletek beállítása a lehetséges tűzforrások felbecslésére és a tűzvédelmi rendszerek reagálásának vizsgálatára. Füstérzékelő modell. Az érzékelők gázhőmérséklet és füstréteg alapján történő aktiválás modellje. Tűzoltó berendezés érzékelőjének válasza a függönnyel és mennyezeti ventilátorral ellátott szobatűz esetén. Nyílt téri mennyezet tűzoltó berendezésének és érzékelőinek reagálási modellje. Tűzoltó berendezés mozgáskövető modellje a JASMINE-ban, a tűzoltó berendezések viselkedésének meghatározására. Magas raktárak tűzérzékelőinek viselkedése. Raktárházak tűzérzékelőinek reagálása.

2.5 Vegyes modellek Néhány mérnöki tűzvédelmi modell nem szerepel az előző csoportok között. Néhánynak vannak olyan tulajdonságai, amelyek túllépik az előző kategóriákat, vagy több kategóriába is tartoznak. Ezeket a modelleket vegyesnek tekintjük.

Számos ezek közül számítógépes modell, melyek számos almodellt tartalmaznak, ezért több előzőekben részletezett területen alkalmazhatóak. Ezek a szoftvercsomagok számos gyakorlati tapasztalati adatot alkalmaznak a tűztervezéshez. Még egy modell létezik, azonban érdemleges információ nem található róla: Dow indices (USA).

Alkalmazási terület: Vegyes modellek Modell ALARM ASKFRS BREAK1 BREATH Brilliant COFRA CONTAMW CRISP FIERAsystem FireCad FIRECAM FIREDEMND FIRESYS FIREX FIVE FRAME FREM FriskMD HAZARD I

Ország UK UK USA UK Norvégia USA USA UK Kanada USA Kanada USA Új-Zéland Németország USA Belgium Ausztrália USA USA

Azonosító 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161

JOSEFINE

UK

162

MFIRE RadPro Risiko RISK-COST RiskPro SMACS SPREAD ToxFED UFSG WALLEX

USA Ausztrália Svájc Kanada Ausztrália USA USA UK USA Kanada

163 164 165 166 167 168 169 170 171 172

Rövid leírás Gazdaságossági optimálása az előírások által engedélyezett mennyiségeknek. Zónamodellel ellátott modellcsomag. Ablakok tűzvédelmi ellenállása. Szennyeződések terjedése közös légcserélő rendszer esetén. CFD modellel egyesített analitikus modell. Modell kockázati tényező megbecslésére. Légáramlási modell. Kockázati tényező és kiürítési zónamodell. Kockázat felmérési modell. A CFAST program kiegészítő modulja. Kockázati veszteség becslése. A tűzoltáshoz szükséges víz mennyiségének meghatározása. Programcsomag viselkedés alapú előírásokkal. Egyszerű zónamodellek tapasztalati korrekciókkal. Tűz okozta sebezhetőségi számítások. Tűzkockázati modell. Tűzkockázati evakuálási modell. A FireMD kockázat alapú zónamodellje. Zónamodell a kijáratok áteresztőképességével. Beépített tűzvédelmi rész a zóna és CFD modellbe, kockázati és kiürítési szimulációs modell. Bánya szellőzési rendszere. Tűz sugárzási modellje. Kockázatfelmérő modell. Tűz esetén élet és költségkockázati modell. Kockázat osztályozási modell. A füst mozgása a légkondicionáló rendszeren keresztül. Falon történő égési és tűzterjedési aránybecslés. Törési hatás mértékének kalkulációja (FED) füstrétegből és koncentrációjából. Éghető és nem éghető anyagok esetén a láng növekedésének becslése. A hő terjedésének számítása az ablaktűz csóvájától a feljebb lévő falig.


35

2.6 Nyilvánosan elérhető szoftverek A tanulmányban fellelhető összes szoftver közöl 30 nyilvánosan is elérhető. Ezek a szoftverek a következő táblázatban szerepelnek:

Nyilvánosan elérhető szoftverek Modell

Alkalmazási terület Termikus tűzmodellek DIFISEK-CaPaFi – Egyszerűsített Termikus tűzmodellek DIFISEK-EN 1991-1-2 Annex A – Egyszerűsített Termikus tűzmodellek DIFISEK-TEFINAF – Egyszerűsített Termikus tűzmodellek ASET/ASET-B – Egyszerűsített – Zóna Termikus tűzmodellek ASMET – Egyszerűsített – Zóna Termikus tűzmodellek CCFM/Vents – Egyszerűsített – Zóna Termikus tűzmodellek FAST/CFAST – Egyszerűsített – Zóna Termikus tűzmodellek FIRST – Egyszerűsített – Zóna Termikus tűzmodellek OZONE – Egyszerűsített – Zóna Termikus tűzmodellek ALOFT-FT – Egyszerűsített – Mező Termikus tűzmodellek FDS – Egyszerűsített – Mező Termikus tűzmodellek SmokeView – Egyszerűsített – Mező Szerkezeti tűzvédelem AFCB – Egyszerűsített Szerkezeti tűzvédelem AFCC – Egyszerűsített Szerkezeti tűzvédelem ELEFIR – Egyszerűsített Szerkezeti tűzvédelem Elefir-EN – Egyszerűsített Szerkezeti tűzvédelem H-Fire – Egyszerűsített Szerkezeti tűzvédelem POTFIRE – Egyszerűsített

Azonosító

Elérési cím

1

www.sections.arcelor.com

2


3


5

www.fire.nist.gov

6

www.fire.nist.gov

9

www.fire.nist.gov

16

www.fire.nist.gov

26

www.fire.nist.gov

40

www.ulg.ac.be www.sections.arcelor.com

M

www.fire.nist.gov

55

www.fire.nist.gov

66

www.fire.nist.gov

73


74


77

www.ulg.ac.be

173

www.eccspublications.eu

78

www.stahlbau.uni-hannover.de

81

www.cidect.org

ELVAC

Kijárat

119

www.fire.nist.gov

EVACNET

Kijárat

120

http://www.ise.ufl.edu/kisko/files/evacnet

ASCOS

Érzékelő reagálás

132

www.fire.nist.gov

DETACT-QS


133

www.fire.nist.gov

DETACT-T2


134

www.fire.nist.gov

FPETOOL


135

www.fire.nist.gov

JET


137

www.fire.nist.gov

LAVENT


138

www.fire.nist.gov

BREAK1

Összetett

145

www.fire.nist.gov

FIREDEMND

Összetett

154

www.fire.nist.gov

Parametrická teplotní křivka

Termikus tűzmodell – Egyszerűsített

174

www.access-steel.cz/page-nastroje-pro-navrhovani/

Přestup tepla

Termikus tűzmodell

175


Požární odolnost

Szerkezeti és ellenállási modell – Egyszerűsített

176


36


3. Értékelési szempontok A tűztervezés szoftvereknél a fő cél az, hogy értékeljük a: • Számítási módszert – Az alkalmazott fizikai és matematikai modellt; • A szoftver dokumentációit; • Felhasználói szempontokat.

3.1 Számítási módszerek – a fizikai . és matematikai modellek alkalmazása A legfontosabb szempont a számítási módszerekkel kap csolatban az, hogy milyen szabályokkal végzi a módszer a számítást. Ezek a szabályok általában fizikai vagy termikus törvényekre vagy tapasztalati adatokra épülnek, vagy elméleti összefüggéseken alapszanak. A szoftver megbízhatósága erősen függ a pontosságától, a benne levő szabályok alkalmazhatóságától. Lehetetlen számba venni minden eseményvariációt a szá mításoknál. A számítások megalkotásához szükség van feltételezésekhez. A feltételezéseket magukba foglaló szoftverek pontossága erősen függ a feltételezések pontosságától. Mind a szabályok, mind a feltételezések korlátozzák a szoftver alkalmazhatóságát. A szoftver alkalmazhatósága vi szont nem csak ettől függ. Más szempontok, mint például a modell mérete és a geometria bonyolultsága tovább szűkítik a szoftver használatát. Ezek a lehatárolások adják meg nekünk a választ arra, hogy a szoftver megfelelő-e az esettanulmányunkhoz.

3.2 A szoftver dokumentációi Mikor elkezdjük a szoftver használatát, tudnunk kell, hogy minden információval rendelkezünk-e vele kapcsolatban. A legfontosabb dokumentum a Használati útmutató, a Technikai leírás, leírások és mintafeladatok. Ezek a dokumentumok nagyon fontosak a szoftver pontos kezelése szempontjából és nagyban befolyásolják az eredmény megbízhatóságát és a pontosságát.

3.3 Felhasználói szempontok Ezek a szempontok nincsenek kapcsolatban a szoftver megbízhatóságával, de nagyon fontosak, mikor használjuk a programot. Egy jó szoftver megengedi, hogy mi adjuk meg a bemenő adatokat a legegyszerűbb módokon, elkerülve a számítási hibákat. A bemeneti és a kimeneti adatok köz lése is nagyon fontos az eredmények megítéléséhez, és a grafika is nagyban hozzájárul az esemény szimulációjához. Ez a három fogalomkör teszi a szoftvert felhasználóbaráttá és képes a hibákat lecsökkenteni, felgyorsítva a kielemzés idejét is.

–D okumentáció: Használati útmutató, Technikai leírások, leírások és mintapéldák. – Felhasználói szempontok: Kezelőfelület, Bemeneti/ Kimeneti adatok, Jelentések és Grafikák. • Következtetések: Becslési szempontokat a Felhasználói szintű elvárásokban listáztuk.

4.1 T izenöt szoftvert becsülhetünk . a következő mélységekben:

• Termikus tűzmodellek (4):

– Egyszerűsített termikus tűzmodellek (1): DIFISEK-EN 1991-1-2 A melléklet – Fejlett termikus tűzmodellek (3): FAST/CFAST és OZONE (Zóna) és FDS (Mező) • Szerkezeti tűzellenállási modellek (8): – Egyszerűsített szerkezeti tűzellenállási modellek (6): AFCB, AFCC, Elefir, Elefir-EN, H-Fire és Potfire – Fejlett szerkezeti tűzellenállási modellek (2): Abaqus és BoFire • Kiürítési modellek (1): Evacnet4 • Érzékelő reagálási modellek (2): Detact-Qs és Jet Az egyes szoftverekről képek láthatók a mellékletben.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikk a DIFISEK+ program (Dissemination of Fire Safety Engineering Knowledge) keretében, annak WP 4. része: Morente, F., de la Quintana, J.: Software for fire design, LABEIN TECNALIA Technological Centre, Bilbao, Spain, felhasználásával történt.

IRODALOM: [1] O lenick S. M. And Carpenter D. J., May 2003, “An Updated International Survey of Computer Models for Fire and Smoke”, Journal of Fire Protection Engineering, Vol. 13 [2] F riedman R., 1992, “An International Survey of Computer Models for Fire and Smoke”, Journal of Fire Engineering Vol. 4 [3] J anssens M. L., 2002, “Evaluating Computer Fire Models”, Journal of Fire Protection Engineering, Vol. 13 [4] A STM E 1355; ASTM E 1472; ASTM E 1591; ASTM E 1895

4. Értékelt SZOFTVEREK A tanulmány rengeteg adatot összegyűjtött a nagyszámú tűzvédelemi szoftverrel kapcsolatban. A szoftverekből 15 programot elemezünk részletesebben. Minden szoftverhez szövegesen összegyűjtöttük és csatoltuk a következő információt: • Szoftverazonosítás (alapinformációk) Név, Verzió, Év, Felhasználási terület, Ország, Szerző/k, szervezet/ek, Rendszerkövetelmények, Számítógépes nyelv, Méret, Elérhetőség, Kapcsolat információja és leírása. • Értékelési szempontok: – Számítási módszerek: Egyenletrendszerek használata, Feltételezések és lehatárolások.

[5] EC3 – Eurocode 3 Part 1.2 (ENV 1993-1-2). [6] E C4 – Eurocode 4 Part 1.1 (ENV 1994-1-1) and Part 1.2 (ENV 1994-1-2). [7] T wilt L., Hass R., Klingsch W., Edwards M. and Dutta D., 1996, “Design Guide for Structural Hollow Section Columns Exposed to Fire”, CIDECT Design Guide 4 [8] P eacock R. D., Reneke P. A., Jones W. W., Bukowski R. W. And Forney G. P., 2000, “User’s Guide for Fast: Engineering Tools for Stimating Fire Growth and Smoke Transport”, NIST-SP-921


37

[9] P ortier R. W., Reneke P. A., Jones W. W and Peacock R. D, 1992, “User´s Guide for Cfast Version 1.6”, NISTIR-4985

[17] C adorin J. F., 2002, “ On the application field of Ozone V2”, Rapport interne Nº M&S/2002-003 University of Liege

[10] P eacock R. D., Reneke P. A., Jones W. W. and Forney G. P, 2000, “Tecnical References for Cfast: An Engineering Tool for Stimating Fire Growth and Smoke Transport”, NIST-TON-1431

[18] C adorin J. F., 2003, “Compartment fire models for structural engineering”, Doctoral Thesis of J. F. Cadorin, University of Liege

[11] P eacock R. D., Jones W. W. and Bukowski R. W., 1993, “Verification of a model of fire and smoke transport”, Fire Safety Jaournal Vol. 21“ [12] D eal S., 1990, “A review of four compartment fires with four compartment fire models”, Fire Safety Developments and Safety, Proceedings of the annual meeting of Fire Retardant Chemicals Association [13] D uong D. Q., 1990, “The accuracy of Computer Fire models: some comparison with experimental data from Australia”, Fire safety Journal Vol. 16 [14] D avis W. D., Notarianni K. A., and McGrattan K.B., 1996, “Comparison of fire model predictions with experiments conducted in a hangar with a 15 m ceiling”, NISTIR-5927 [15] C adorin J. F., Franssen J. M., and Pintea D., 2001, “The design Fire Tool Ozone V2.0 – Theoretical Description and Validation On experimental Fire tests”, Rapport interne SPEC/2001_01 University of Liege [16] S leich J. B., Cajot L. G., Pierre M., Joyeux D., Aurtenetxe G., Unanua J., Pustorino S., Heise F. J., Salomon R., Twilt L. and Van Oerle J., 2002, “Competitive steel buildings through natural fire safety concepts” Final Report EUR 20360 EN

[19] S leich J. B., Cajot L. G., Pierre M., Joyeux D., Moore D., Lennon T., Kruppa J., Hüller V., Hosser D., Dobbernack R., Kirchner U., Eger U., Twilt L., Van Oerle J., Kokkala M. And Hostikka S., 2002, “Natural Fire Safety Concepts – Full Scale Tests, Implementation in the Eurocodes and Development of an user friendly design tool” Final Report EUR 20580 EN [20] M cGrattan K. B., Forney G. P., Floyd J. E., Hostikka S. And Prasad K., 2002, “Fire Dynamics Simulator (Version 3) – User´s Guide”, NISTIR-6784 [21] F orney G. P. and McGrattan K. B., 2003, “User´s Guide for Smokeview Version 3.1 – A Tool for Visualizing Fire Dynamics Simulation Data”, NISTIR-6980 [22] M cGrattan K. B., Baum H. R., Hamins A., Forney G. P., Floyd J. E., Hostikka S. And Prasad K., 2002, “Fire Dynamics Simulator (Version 3) – Technical Reference Guide”, NISTIR-6783 [23] H urley M. J. and Madrzykowsky D., 2002, “Evaluation of the computer fire model DETECT-QS”, PerformanceBased Codes and Fire Safety Design Methods, 4th International Conference. Proceedings [24] D avis W. D., 1999, “The Zone Fire model JET: A Model for the prediction of detector activation and gas temperature in presence of a smoke layer”, NISTIR-6324

www.framemethod.be/modeling.html

WEB LINKS www.arcelor.com

www.fseg.gre.ac.uk

www.branz.co.nz/main.php?page=Fire%20Software

www.irc.nrc-cnrc.gc.ca

www.bre.co.uk/frs/software.jsp

www.ise.ufl.edu/kisko/files/evacnet

www.cidect.org

www.labein.es

www.cticm.com

www.nfpa.org

www.doctorfire.com

www.rautaruukii.com

www.europrofil.lu.


www.fire.nist.gov

www.tno.nl

www.fire.org

www.ulg.ac.be

www.firemodelsurvey.com

www.uni-hannover.de

www.fpe.umd.edu/department/modeling/index.html

www.fine.cz

38



39

40



41

42



43

44


Dr. Hoffmann Imre tű dandártábornok, hatósági főigazgató-helyettes Országos Katasztrófavédelmi Főigazgatóság

A tűzvédelmi jogszabályok változásai Changes of Fire Safety Laws A folyamatos technológiai fejlődés, az új műszaki megoldások, továbbá az Európai Unió irányelveinek való megfelelés szükségessé tette a tűzvédelmi elő írások modernizálását. Többévi munka eredménye ként 2008. február 22-én megjelent az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról szóló 9/2008. (II. 22.) ÖTM rendelet (OTSZ), ami a tűzvédelem hazai és nemzetközi tapasztalatait egyaránt magában foglalja. A cikkben sorra veszem az OTSZ megalkotásához, bevezetéséhez, és alkalmazásához kapcsolódó tapasztalatokat, amely hozzájárulhat az új követelmények könnyebb elfogadásához.

The perpetual development of technology, new technical solutions, furthermore adequacy to European Union Directives necessitated the modernization of fire safety regulations. As a result of a multi-year working process in 22 february 2008 the 9/2008. (II. 22.) Decree of the Minister of Local Authorities and Regional Development on National Fire Safety Regulation (NFSR) was published. The NFSR incorporates national and international fire safety experiences. In the article I take one after the other the experiences in connection with the creation, introduction, and adaptation of NFSR, which may contribute to the easier acceptance of the new requirements.

A tűzmegelőzés területén jelentős változást hozott az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról szóló 9/2008. (II. 22.) ÖTM rendelet (továbbiakban: OTSZ) 2008. május 22-i hatálybalépése. A jogszabály megjelenését az elavult tartalmú tűzvédelmi előírások modernizálásának igényén túl az Európai Unió direktíváiban meghatározott műszaki követelményeknek történő megfelelés is szükségessé tette. Az Országos Katasztrófavédelmi Főigazgatóság 2004 januárjában kezdte meg a tűzvédelmi műszaki követel ményeket tartalmazó jogszabályok módosításának elő készítését. A tervezetek kidolgozása érdekében a tűzol tói képviseleti szerveken kívül meghívásra kerültek a jelentősebb tűzvédelemhez köthető civil szervezetek kép viselői is (pl. Gépipari Tudományos Egyesület, Építésügyi Minőségellenőrző Innovációs Kht., Tűzvédelmi Szolgáltatók és Vállalkozók Szövetsége, Magyar Biztosítók Szövetsége, Magyar Mérnöki Kamara, Magyar Műszaki Biztonsági Hiva tal, Tűzvédelmi Mérnökök Egyesülete). A rendelet módosításával kapcsolatban az érintett témaköröknek megfelelően nyolc szakmai munkabizottság alakult, melyek munkájában való részvételüket az említett szervezetek jelezték. A bizottsági részvétel lehetőségével a későbbiekben több szervezet nem élt, vagy a bizottságok munkájában aktív szerepet nem vállalt, így érdekképviseletüket sem biztosíthatták a jogszabályalkotás során. A bizottságok teljes szakmai sza badságot kaptak az érintett műszaki területek tűzvédelmi koncepciójának kidolgozásához, mellyel nem minden esetben éltek a részvevők. A jelzések alapján a tervezetbe bedolgozásra kerültek azok a nemzetközi tapasztalatok, melyek egy adott európai tagállamban jelentős mértékben befolyásolták a tűzvédelmi előírásokat a biztonságosság érdekében. Az általános szak mai viták eredményeképpen a jogszabálytervezetben fo lyamatos változtatások történtek, melyek kedvezően befolyásolták a munkapéldányok általános használhatóságát, tűzvédelmi koncepciójának egységes képét. A jogszabály kihirdetése előtt átesett a kötelező európai notifikációs eljáráson. Az eljárás során a tagállamok részére lehetőség nyílt a jogszabálytervezet európai szabadságelvek szerinti

vizsgálatára. A vizsgálat egyik eleme az áruk szabad áramlásának teljesülése, a jogszabálytervezet áruk korlátozására vonatkozó előírásainak felülvizsgálata. A notifikációs eljárás során a jogszabállyal kapcsolatban érdemi észrevételt a tagállamok nem tettek. Az OTSZ a végrehajtott korszerűsítésen kívül olyan mű szaki követelményekkel, előírásokkal is kiegészült, amelyek eddig nem szerepeltek a tűzvédelmi jogszabályrendszerben. Az OTSZ tartalmaz olyan új, EU konform előírásokat is, amelyeket a már hatályon kívül helyezett az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról szóló 35/1996. (XII. 29.) BM rendelet, illetve a tűzvédelem és a polgári védelem műszaki követelményeinek megállapításáról szóló 2/2002. (I. 23.) BM rendelet nem tartalmazott, azonban bevezetésük elengedhetetlenné vált. Az új szabályozás egységes szerkezetben, kódex-szerűen tartalmazza a tűzvédelem létesítési és használati szabályait, átláthatóbbá téve a szakterület jogi szabályozását. Az OTSZ hatálybalépésével annak alkalmazása 2008. május 22-én megkezdődött. Az eltelt idő alatt, a napi használat során – tekintettel a szakmai megközelítés új donságaira – sok szakmai és formai kérdés vetődött fel mind tervezői, mind hatósági oldalról. Az Országos Ka tasztrófavédelmi Főigazgatóságra eljuttatott kérdések, fel vetések több olyan jogszabályi előírásra hívták fel a fi gyelmet, melyek megfelelő színvonalú gyakorlati alkalma zása érdekében további pontosítást igényelnek. A legtöbb vitát az építőanyagok éghetőségi, tűzállósági teljesítmény jellemzőinek európai normákhoz történő igazítása váltotta ki. Szakítva az évtizedes hagyományokkal, a jogszabály új követelményrendszert vezetett be, melyre az átállás nem történt zökkenőmentesen. Az OTSZ szerint éghetőség tekintetében az építőanyagokat tűzvédelmi osztályokba kell sorolni. Az MSZ EN 13501-1 szabvány táblázatos formában tartalmazza azokat a szempontokat, melyek szerint az osztályba sorolás elvégezhető. A szabvány 7–7 osztályt különböztet meg általában az építési anyagok és a padlóburkolatok vonatkozásában (A1; A2; B; C; D; E; F – illetve padlóburkolatoknál A1fl; A2fl; Bfl;


45

Cfl; Dfl; Efl; Ffl). A fő tűzvédelmi osztályok meghatározása mellett a füstfejlesztés és az égve csepegés kritériumainak figyelembevételével további alkategóriákat határoz meg a szabvány. (A füstképződési kategóriák jelzései s1; s2; s3, az égve csepegési kategóriák jelzései d0, d1, d2.) Az elvégzett tűzvédelmi osztályokba sorolásról a besorolást végző akk reditált intézet tanúsítványt állít ki. Az általánosan használt építőanyagok tekintetében nem feltétlenül kell elvégeztetni a besorolást. Az Európai Unió hivatalos közlönyében (Official Journal) rendszeresen közzéteszik azoknak az anyagoknak a listáját, melyek összetételüknél fogva, minden további vizsgálat nélkül tűzvédelmi osztályba sorolha tók, illetve füstfejlesztési és füstképződési tulajdonságai is feltüntetésre kerülnek. Az épületszerkezetek új tűzállósági teljesítmény követel mény jellemzőinek bevezetése is nagy visszhangot váltott ki az építész szakmán belül. Az eddigi hagyományos tűzállósági határérték követelmény helyett bevezetett jellemzők értel mezése, használata nagyobb szakmai rálátást kíván az alkal mazóktól. Továbbra is szabványos laboratóriumi vizsgálatok határozzák meg az épületszerkezetek tűzállósági jellemzőit, de lehetőség nyílik a megfelelőség igazolására méretezési műszaki specifikációban (Eurocode szabványsorozatban) található számítási módszert is alkalmazni. Az épületszerkezetek tűzvédelmi megfelelőségének érté kelése – az OTSZ bevezetésével – nem merül ki a tűzvédelmi osztály és a tűzállósági teljesítmény jellemzők vizsgálatával. A beépített szerkezetekkel szemben egy sor olyan köve telmény jelenik meg, amely komoly feladat elé állítja a tervezőket. Ezek nem mérhető előírásokat tartalmaznak, mint inkább tervezési irányelveket határoznak meg az összefüggő szerkezetek tűzzel szembeni ellenállásának biz-

46

tosítása érdekében. Példának emelném ki, hogy az egymással kapcsolatban álló teherhordó szerkezetek tűzállósági követelmény időtartama alatt a tűz során bekövetkező alakváltozását is figyelembe kell venni a tartószerkezetek erőtani méretezésénél, ami sok esetben jelent nehézséget a statikusok számára. Összességében elmondható, hogy a jogszabályváltozásból adódó kezdeti nehézségek feloldása sikerült, eredményesen kialakításra kerültek azok a tervezési metódusok, melyek maradéktalanul összhangban vannak a jogszabályokkal és szabványokkal. Az új követelmények bevezetése során olyan szakmai eszmecsere jött létre a felhasználói érdekképviseletek, szervezetek között, mely lehetővé tette olyan rugalmas tűzvédelmi keretrendszer létrejöttét, amely hosszú távon, a magas szintű tűzbiztonság mellett teret ad a tervezői kreativitásnak, az új ötletek megvalósulásának.

Hivatkozott jogszabályok, szabványok: 9/2008. (II. 22.) ÖTM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról 2/2002. (I. 23.) BM rendelet a tűzvédelem és a polgári védelem műszaki követelményeinek megállapításáról (hatályon kívül) 35/1996. (XII. 29.) BM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról (hatályon kívül) MSZ EN 13501-1:2007 Épületszerkezetek és építési termékek tűzvédelmi osztályozása. 1. rész: Osztályba sorolás a tűzveszélyességi vizsgálatok eredményeinek felhasználásával


Sebestyén Tibor ügyvezető igazgató Dunamenti Tűzvédelem Zrt.

ACÉLSZERKEZETEK TŰZVÉDELME. Tűzvédelmi festékrendszerek, szórt bevonatok, . burkolás tűzgátló lapokkal Fire protection of steel structures. Fire-protecting paint systems, sprinkled coatings, . revetment with fire-protecting sheets Az acél tartószerkezetek szilárdsága 500 °C felett jelentősen csökken, a védetlen teherhordó acélszer kezetből épített létesítményeknél tűz hatására teljes vagy részleges összeomlás következhet be, veszélyeztetve az emberi életeket és az anyagi értékeket. A védelem érdekében kifejlesztett különböző techni kai megoldások minden tűzállósági követelmény ki elégítésére rendelkezésre állnak az acélszerkezetek megvédésére. Ez azt jelenti, hogy nincs akadálya az új stílusnak megfelelő, de egyben biztonságosan kivitelezett acélszerkezeteket tartalmazó épületek, csarnokok építésének.

The solidity of steel frame significantly tones down over 500 celsius. In case of fire total or partial ruin may supervene at facilities made of unprotected bearer steel construction to be a danger to people’s lives and material values. There are different technical solutions developed in favour of protection which are available to defend steel structures for fulfilmernt of each fire-resisting requirements. It means that there is no any hindrance to build buildings and halls in new style with safety steel structures .

Néhány évtizeddel ezelőtt ezen a kifejezésen, hogy „acélszerkezet tűzvédelme”, még sokan elcsodálkoztak volna, gondolván, hiszen az acél nem ég! És tulajdonképpen igazuk is van, mert az acél valóban nem ég. Az utóbbi évtizedekben országszerte nagy projektek, főleg bevásárlóközpontok, acélszerkezetekből épülő csarnokok építése, valamint néhány tragikus tűzeset, melynek egyik szomorú példája Budapesten a Rákóczi téri Vásárcsarnok teljes leégése, a ’80-as években, ráirányította a figyelmet az acél tűzvédelmére. A könnyűszerkezetes épületek, mint pl. raktárcsarnokok, bevásárlócsarnokok stb. nem tudják nélkülözni az acélprofilokból készült vagy acélgerendákkal erősített tetőszerkezetet. Ilyen és hasonló esetekben az acélra nagy feladat hárul, az egész tető, vagy födém statikus megtartása.

Mindezek miatt alapvető fontosságú az ilyen acélszer kezetek tűz elleni védelme. Az emberi élet és az anyagi javak védelme érdekében többek között az acélszerkezetekre vonatkozóan is szigorú előírásokat tartalmaz az idén, 2008.02.22-én megjelent és 2008.05.22-én hatályba lépett ÖTM rendelet, más néven az Országos Tűzvédelmi Szabályzat [9/2008. (II. 22.) ÖTM rendelet]. A szabályzatban előírt tűzállósági határérték függ az épü letek tűzállósági fokozatától és az épületek szintjeinek számától. Ezek függvényében az alábbi tűzállósági határértékek elérése a különböző épületszerkezeteknél a követelmény:

Azt már tudjuk, hogy az acél nem éghető anyag, de azt is tudnunk kell, hogy az acél tartószilárdsága 500 °C felett jelentősen csökken, a védetlen teherhordó acélszerkezetből épített létesítményeknél tűz hatására rövid időn belül teljes vagy részleges összeomlás következhet be, veszélyeztetve az emberi életeket és az anyagi értékeket. A tűzoltók kevésbé tartanak egy faszerkezetű égő épület oltásától, mint egy acélszerkezetű égő csarnok oltásától. Míg a faszerkezetű tetőnél kiszámítható vagy látható a tetőrész omlási veszélye, addig az acélszerkezetű váznál nem látható és nem érzékelhető, mikor éri el a szerkezet, vagy egy fontos elemének a hőmérséklete az 500–600 °C-t, amelynél azután pillanatokon belül beszakadhat az egész tetőszerkezet, összedőlhet az épület, amely életveszélyt je lent az oltást végző tűzoltók számára is. Az acélvázú csarnokokban nagy értékű anyagokat, gépe ket, technológiát helyeznek el, így egy ilyen tűzeset az épü let tönkremenetelén túl óriási értékeket is veszélyeztet.

Teherhordó falak, pillérek: • teherhordó pillérek: R15, R30, R45, R60, R90, R120, R180 • falszerkezetek merevítőelemei: R15, R30, R45, R60, R90, R120, R180 Vízszintes teherhordó szerkezetek: • teherhordó gerendák: R15, R30, R45, R60, R90 • tetőfödémek tartószerkezetei: R15, R30, R45, R60, R90 • tetőfödémek merevítő szerkezetei: R15, R30, R45, R60, R90 • nyílásáthidalások: R15, R30, R45, R60, R90 A rendelet külön tárgyalja az egyszintes csarnoképüle teket, ahol a tűzállósági határérték meghatározásánál a csarnoképület tűzállósági fokozatát kell figyelembe venni. Ennek megfelelően a következő tűzállósági határértékek valamelyikét írja elő a szabályzat: • teherhordó pillérek, oszlopok, keretszerkezetek, tető födémek tartószerkezetei: R15, R30, R45, R60 • falszerkezetek merevítőelemei: R15, R30, R45, R60


47

Az említett tűzállósági határértékeket az illető ország szabványában rögzített módszerekkel erre hivatott vizsgáló intézetekben állapítják meg, melyről hivatalos jegyzőkönyv készül. Magyarországon ezt a tevékenységet az Építésügyi Minőségellenőrző Innovációs Kht. (ÉMI) végzi. Ők állítják ki a termékek forgalmazásához, alkalmazásához szükséges engedélyeket is (ÉME Építőipari Műszaki Engedély, TMI Tűzvédelmi Megfelelőségi Igazolás), amelyek tartalmazzák a tűzvédelmi osztályt, valamint a tűzállósági teljesítmény jellemzőket. A hivatalos tűzvizsgálatoknál a jelenleg még használt régi szabály szerint 2 darab 4 m hosszú I 180-as tűzgátló védelemmel ellátott acéltartót függőleges és vízszintes vizsgáló kemencébe helyezik és az ISO 834 szabvány szerint előírt időbeni hőfok felfutású hőterhelésnek teszik ki. Ez az esetleges tűzesetet kritikus mértékben modellezi, ami azt jelenti, hogy a kemencetérben 30 perc után kb. 820 °C, 90 perc után 1000 °C közeli hőfok van. Védelem nélkül az acél hőmérséklete kis késleltetéssel követi a kemence hőfokát, ennek megfelelően kb. 10–12 perc elteltével az acéltartó hőmérséklete eléri a kritikus 500 °C-ot. Ezzel szemben a például 30 perces tűzvédő hőre duzzadó festékbevonattal ellátott acéltartó hőfok-emelkedését az acélfelületén kialakított szigetelőréteg olyan mértékben befolyásolja, hogy csak 30 perc után a 33. percben éri el az acél hőmérséklete a kritikus 500 °C-t. Az acélszerkezetek védelmére alapvetően az alábbi három megoldás közül választhatunk elsősorban attól függően, hogy milyen tűzállósági határérték elérése a cél, másodsorban a védendő felület hol helyezkedik el, kültérben vagy beltérben, látható vagy utólag burkolt helyen. Gyakran a tervezői kiírás, a beruházói igény, az esztétikai megjelenés és nem utolsó sorban a projekt költségérzékenysége a meghatározó. 1. Hőre habosodó tűzgátló festék 2. Tűzgátló lapok 3. Szórt ásványi anyagok, tűzvédelmi habarcsok A védelem alapvetően a hőszigetelés elvén működik, vagy önmagában hőszigetelő és egyben tűzálló anyagokkal, vagy a tűz (magasabb hőmérséklet) hatására képződő hőszigetelő réteggel.

1. HŐRE HABOSODÓ TŰZGÁTLÓ FESTÉK A tűzgátló festékek tűz (magasabb hőmérséklet) hatá sára felhabosodva tűzgátló réteget képeznek. Ilyen festé ket alkalmazó rendszerekkel 30, 45, ill. max. 60 perces tűzállóságú védelem hozható létre. Aki festékes rendszerrel ennél magasabb tűzállóságú védelmet ajánl, azt mindenképp kétkedve fogadjuk, és kérjük el az anyagról a hiteles magyarországi vizsgálati jegyzőkönyvet, forgalmazási engedélyt, ugyanis más orszá gok eltérő követelményeinél elképzelhető magasabb érték is, de Magyarországon érvényes minősített anyag csak 60 percig létezik. A hőre duzzadó festékekkel a rétegvastagságot növelve lehet a 30, 45 és 60 perces tűzállóságot elérni festéktípustól függően. Az alábbi táblázatban láthatók a reális szárazréteg-vastagságok. Tűzállóság tűzvédő festék rétegvastagsága

48

30 perc

45 perc

60 perc

0,5–0,8 mm 0,8–1,5 mm 1,7–2,5 mm

A korszerű festékekkel kialakított bevonatok ma már esztétikusak, szép felületet ké peznek, vékony rétegben való felhordásuk nem rontja el az acélszerkezet által keltett építészeti varázst. Nem olyanok, mint a néhány évvel ezelőtt gyártott típusok, amelyeket az építészek és az építtetők fenntartással fogadtak esztétikai megjelenésük miatt. A tűzgátló festékeknek alapvetően két fajtája ismert, a vizes, valamint az oldószerbázisú. A vizes bázisú festé kek beltérre, az oldószerbázisú festékek kültérre alkalmas fedőfestékkel bevonva kültéren is alkalmazhatóak. A tűzgátló festékek általában fehér színűek, önmagukban nem színezhetőek. Ha az acélszerkezetre valamilyen külön leges színt álmodott meg a tervező, akkor ugyanúgy, mint a védelem nélküli acélfelületre, a tűzgátló bevonatra is felhordható a kívánt színű fedőfesték. A tűzgátló festék ecsettel, hengerrel vagy airless szóróberendezéssel hordható fel a védendő felületre.

2. TŰZGÁTLÓ LAPOK Amennyiben 30–180 perc tűzállósági határérték elérését kell biztosítani, de különösen 60 perc tűzállóságnál ma gasabb követelmény esetén az acélszerkezetek védelme tűzgátló lapokból képzett burkolattal kivitelezhető. A • • •

tűzgátló lapoknak több fajtája ismert a hazai piacon: gipszrost lap kőzetgyapot lap cementkötésű lap

A választásnál a lapok esetén is mérlegelendő tényező, hogy milyen tűzállósági határérték elérése a cél, a védendő felület hol helyezkedik el, kültérben, beltérben, látható vagy utólag burkolt helyen, mennyire fontos az esztétikai megjelenés, de nem hagyható figyelmen kívül a tervezői kiírás, illetve a beruházói igény sem. A tűzgátló lapokból kialakított védőburkolat előnye, hogy megjelenése esztétikusabb, hátránya, hogy bonyolultabb rendszereknél, csomópontoknál a technikai kivitelezés ne héz, nagy gyakorlatot, képzett szakembert igényel, ebből kifolyólag viszonylag drága. A gipszrost lapokat beltérben, azokon a látható helyeken alkalmazzák, ahol fontos az esztétikai megjelenés. Felülete a legkülönbözőbb színre festhető. A kőzetgyapot lemezeket általában a nem látható (pl. ak nák) vagy utólagos burkolattal ellátott, eltakart felületeknél alkalmazzák. Csupasz, illetve alufólia kasírozású kivitelben gyártják. Nyugat-Európában és itthon is közismert a már igen rég óta alkalmazott, jól bevált, cementkötésű tűzvédő építőlap, amely kültéri és beltéri felhasználásra egyaránt alkalmas. Kültéri alkalmazás esetén impregnáló bevonattal látják el. A lapburkolatok vastagságának kiválasztásakor figyelembe kell venni az előírt tűzállósági határértéket, valamint azt, hogy hány oldali védelmet kell biztosítani. A lapokat ragasztással, csavarozással, illetve tűzéssel lehet az acélszerkezetekhez, illetve egymáshoz rögzíteni.


A tűzgátló lapokból álló burkolatot a gipszkartonrendszereknél megszokott módon kell elkészíteni, a burkolat és az acélfelület közé ugyancsak a tűzgátló lapból felragasztott párnaelemeket kell elhe lyezni, és tűzőkapcsokkal kell rögzíteni. A lapok közötti rése ket speciális tűzálló kittel kell kitölteni.

3. SZÓRT ÁSVÁNYI ANYAGOK A beépített acélszerkezet teherbíró képessége meghatározza, milyen mértékben lehet az eredeti terhelésen felül még terhelni. Azokban az esetekben, mikor a tűzgátló lapok súlyuk miatt nem alkalmazhatók, javasoltak a szórt azbesztmentes tűzvédelmi bevonatok, amelyekkel az acélszerkezet minden felületét egy viszonylag puha, könnyű térfogatsúlyú, tűzgátló bevonattal szórják be. Ásványi szálas, cement és gipsz alapú bevonatokat különböztetünk meg. Ásványi szálas alapú tűzgátló habarcs könnyű, 300 kg/m3 térfogatsúlyig Gipszhabarcs közepes 500 kg/m3 térfogatsúlyú Cement kötésű tűzgátló habarcs nehéz, 700–800 kg/m3 térfogatsúlyú

A nagy bonyolultságú acélszerkezetek felületén is egyen letes, jól kötő bevonat alakítható ki, amely 60–180, a cement alapú anyagnál akár 240 perces tűzvédelmet biztosítanak. A szórt ásványanyag alapú bevonatoknál kialakítandó rétegvastagság a tűzállóság függvényében határozható meg. Acélszerkezetek. falvastagsága

Tűzállósági határérték. (óra)

(mm)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

A védelem vastagsága (mm) Testsűrűség

V>5

5

15

25

35

40

45

300 kg/m3

V≤5

10

25

35

45

55

60

(„V” az acélprofil falvastagságát jelöli mm-ben.) Az így kialakított bevonat nem sima, ún. rusztikus felü letet ad, jól látható helyeken és nem ipari környezetben burkolatot igényel pl. álmennyezet, ill. egyszerű gipszkarton burkolat. Ha nem kívánják eltakarni, a felület bizo nyos határok között simítható, sőt festhető, vagy kültérben időjárás-ellenálló bevonattal látható el. A bevonat előnye, hogy komplikált szerkezetek védelmé re is alkalmas, illetve relatíve olcsó megoldás. Összefoglalva: a különböző technikai megoldások minden tűzállósági követelmény kielégítésére rendelkezésre állnak az acélszerkezetek megvédésére. Ez azt jelenti, hogy nincs akadálya az új stílusnak megfelelő, de egyben biztonságosan kivitelezett acélszerkezeteket tartalmazó épületek, csarnokok építésének.

Magyar Termék Nagydíj pályázaton elnyert: ELISMERT TERMÉK minősítő cím és Kiváló Építési Termék védjegy. Mindkét díjat 2008. szeptember 3-án vettük át az Országházban


49

Vásárcsarnok – Budapest

Kálvin János Egyetem

A Budapest Sportaréna acélszerkezetének képe

Tiszai Vegyi Kombinát

Emil Frey bemutatóterem – Budapest

Esztergom – Élményfürdő

50


Dr. Ostorházi László Ostorházi Bevonattechnikai Kft.

Tűzvédő bevonatok készítésének folyamata Fire retardant coating process A fémet, fát, műanyagot fölemésztő tűzzel szemben a tűzvédő bevonatok célja az időnyerés az emberi élet és a vagyon mentésére. Alkalmazási területek: ipari, kulturális, kereskedelmi és közlekedési célú épületek szerkezetein, belső burkolatain, kábelcsatornáin.

A tűz az emberiség történetében nagy jelentőséggel bír. Volt, amikor az életet jelentette és volt, amikor a pusztulást. Civilizációnkban a tűz már többnyire az ember szolgálatában áll, de vannak nagy számban olyan tűzesetek is, amik veszélyt jelentenek, károsítják a természetes és az épített környezetünket, veszélyeztetik az emberéletet és nagy anyagi kárt okozhatnak. A nem kívánt tűz elleni védekezés ezért társadalmi szintű összehangolt magatartást követel meg. Az összehangolt magatartás egyik zsinórmértéke a jogszabály, ami előírja, hogy a tűz elleni védekezés hogyan valósuljon meg. Aki az épített környezet létrehozásában részt vesz, annak megkerülhetetlen tényező ezen jogszabályok ismerete és alkalmazása, legyen az tervező, gyártó, vagy kivitelező.

Against fire devastating metal, wooden and plastic objects the fire retardant coatings are intended to gain some time for the rescue of human lives and properties. Fields of application include: on structures of buildings used for industrial, cultural, commercial and communication purposes, on the indoor facings and cable ducts installed inside such buildings.

Tűzvédő bevonat épülő csarnokszerkezeten. Fotó: Ostorházi Kft.

A Budapest Sportcsarnok romjai a tűz után. Forrás: Panoramio.com, fotó: Prim Ádám


51

A jogszabályok lehetőséget adnak a védekezés módjának kiválasztására, de az előírt védelmi szintet el kell érni. Az egyik lehetőség a tűz elleni védelemre a tűzvédő be vonat alkalmazása. A tűzvédő bevonatoknak széles körű a palettája és ennek megfelelően az alkalmazási köre is. Ma már olyan bevonatok vannak a piacon, amelyek nem csak a funkcionális, de az esztétikai és színigényeket is tökéletesen kielégítik. A szerző a bevonatkészítés specialistája, így itt nem te kinti feladatának a tűzvédő bevonatok belső tulajdonságai ról és hatásmechanizmusáról írni. Annál inkább arról a folyamatról, ami a tervezőasztalon kezdődik és az átadásátvételi dokumentumok aláírásával fejeződik be. Az első lépés a megépíteni tervezett műtárgy tűzvédelmi szempontú vizsgálata. Milyen anyagból építkezünk, milyen igénybevételnek lesz kitéve az adott műtárgy, milyen tűzveszélyességi osztályba sorolható? A tűzvédelmi tervezésben a szakhatóságok, első helyen a tűzoltóság szakemberei autentikus segítséget nyújtanak. További megválaszolandó kérdések a kívánt élettartam, esztétikai megjelenés, szín igény a felületen. A tűzveszélyességi osztályba sorolás alap ján a vonatkozó jogszabályok alkalmazásával megállapítható, hogy az adott felületen szükséges-e tűzvédő bevonat, és ha igen, milyen. A tűzvédő bevonat az adott hordozó felület tűzállósági határértékének a növelésére alkalmas. A tűzvédelmi követelmények megállapítását követően kerülhet sor a feladatnak leginkább megfelelő bevonati anyag kiválasztására. A kiválasztás során szem előtt kell tartani a gyártó által kiadott minőségi és alkalmassági tanúsítványok meglétét, egyéb jognyilatkozatokat. Egy bevonattechnikai szakember érdemi munkája ekkor kezdődik. A kiválasztott anyagot fel kell hordani a védendő felületre. A bevonat készítése is a tervezéssel indul. A minőségügyi terv részletesen kitér a felhordandó anyag technikai és biztonsági adatlapjában foglaltakra, a felhordás körülményeinek meghatározására, az alkalmazandó eszközökre, gépekre, azok pontos beállítási értékeire és a minőséget befolyásoló egyéb környezeti hatásokra. Ezek között kiemelt jelentősége van a felület előkészítésének, ami a bevonat tapadását befolyásolja. Ki kell térni a rétegvastagságra is, hiszen ez adja meg a tűzállósági határértékeket. A rétegvastagság mérése munkavégzés közben és utólagos ellenőrzés során is elengedhetetlen, erre is ki kell térni a minőségügyi tervben. A következő lépés a felvonulás és a munkate rület kiépítése. Tűzvédő bevonat készítése elképzelhető gyártóműben is, de az építőiparban a jellemző megoldás

Tűzvédő bevonati rendszer sematikus ábrája

52

Tűzvédő bevonat próbája. Fotó: unitherm.

a helyszíni bevonatkészítés. A munkaterületet el kell kü löníteni és gondoskodni kell a nem festendő felületek védelméről. A bevonatkészítés akkor gazdaságos, ha jól megválasztott festékszóró berendezést használunk a beállítási értékek pontos betartása mellett. A felhordás során rendszeresen ellenőrizni kell a nedves rétegvastagságot. Az előírtnál alacsonyabb rétegvastagság elégtelen tűzállósági határértéket eredményez, ami meghiúsíthatja a teljes mű tárgy használatbavételi engedélyének a kiadását, így mér hetetlenül nagy veszteségeket okozhat a piac összes sze replőjének. A tűzvédő bevonat felhordását általában alapozóbevonat felhordása előzi meg és fedőbevonat követi, de ez nem szükségszerű minden esetben. Ahol ezekre sor kerül, az általános felhordási szabályok mellett különös figyelmet kell fordítani az összeférhetőségre, arról a gyártói nyilatkozatokat be kell szerezni. A kész bevonat előírás szerinti száraz rétegvastagsága a megfelelőség feltétele, ezért azt mérni és dokumentálni kell. A bevonati rendszerről a kivitelező megfelelőségi tanúsítványt állít ki. A megrendelő független tanúsítóintézetet is igénybe vehet a minőség ellenőrzésére és tanúsítására. Sok problé ma kiküszöbölhető, ha a megrendelő megköveteli a ki vitelezőjétől, hogy független tanúsítószervezet által kiadott tanúsítvánnyal igazolja alkalmasságát az adott feladatra. Ezt szolgálja az ISO 9001 szabvány. Ma már egyre nagyobb jelentősége van az ISO 14001 környezetirányítási rendsze reknek is, ami alapján tanúsított cégek a környezetvédelmi elkötelezettségükre adnak garanciát. A két rendszer együttes tanúsítása mára már gyakorlattá vált. A folyamat végén fontos a felelősség kérdése. A felelősség a tervező, a szakhatóság, az anyag gyártója, a kivitelező és az üzemeltető között oszlik meg. Mindenki annyiban felelős, amennyiben hitelt érdemlő dokumentumokkal tudja bizonyítani, hogy a tőle elvárható gondossággal járt el. Nem megkerülhető az a kötelezettség, hogy minden szereplő a jóhiszeműség és tisztesség követelményének megfelelően, kölcsönösen együttműködve köteles eljárni egy ilyen felelősségteljes jogviszonyban.


Melléklet: Bevonatkészítésnél használatos szabványok listája Ssz.

Szabványszám

1.

MSZ ISO 8501-2:1997

2.

MSZ EN ISO 8503-1:1998

3.

MSZ EN ISO 8503-2:1998

4.

MSZ EN ISO 12944-1:2000

5.

MSZ EN ISO 12944-2:2000

6.

MSZ EN ISO 12944-3:2000

7.

MSZ EN ISO 12944-4:2000

8.

MSZ EN ISO 12944-7:2000

9.

MSZ EN ISO 12944-8:2000

10.

MSZ EN ISO 11127-5:2000

11.

MSZ ENV 12837:2000 Angol nyelvű

12.

MSZ EN ISO 11127-1:2000 Angol nyelvű

13.


14.


15.


16.


17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

MSZ EN ISO 12944-5:2008 Angol nyelvű MSZ 9650-10:1976 MSZ 9650-13:1977 MSZ 9650-16:1975 MSZ 9650-17:1977 MSZ 9650-18:1979 MSZ 9650-23:1978 MSZ 9650-24:1979 MSZ 9650-7:1988 MSZ 9650-14:1988 MSZ 9650-20:1988 MSZ EN ISO 4624:2003 Angol nyelvű MSZ EN ISO 1514:2005 Angol nyelvű MSZ EN ISO 6272-2:2006 Angol nyelvű MSZ EN ISO 2808:2007 Angol nyelvű MSZ EN ISO 2409:2007 Angol nyelvű

Megnevezés Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. A felületi tisztaság vizuális értékelése. 2. rész: Az előzőleg festett, az eredeti bevonat részleges eltávolítása utáni acélfelületek előkészítési fokozatai Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. Szemcseszórt acélfelületek érdességi jellemzői. 1. rész: Előírások és fogalom-meghatározások szemcseszórt felületek értékelésére való ISO érdesség-összehasonlító mintákra (ISO 8503-1:1988) Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. Szemcseszórt acélfelületek érdességi jellemzői. 2. rész: Módszer szemcseszórt acél érdességének minősítésére. Összehasonlításos eljárás (ISO 8503-2:1988) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 1. rész: Általános bevezetés (ISO 12944-1:1998) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 2. rész: A környezetek osztályozása (ISO 12944-2:1998) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 3. rész: Tervezési szempontok (ISO 12944-3:1998) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 4. rész: Felület- és felület-előkészítési típusok (ISO 12944-4:1998) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 7. rész: A festési munka végrehajtása és ellenőrzése (ISO 12944-7:1998) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 8. rész: Előírások kidolgozása új munkához és karbantartáshoz (ISO 12944-8:1998) Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. Nemfémes szemcseszóró anyagok vizsgálati módszerei. 5. rész: A nedvesség meghatározása (ISO 11127-5:1993) Festékek és lakkok. Az acélszerkezetek festékrendszerekkel való korrózióvédelmét ellenőrzők minősítése Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. Nemfémes szemcseszóróanyagok vizsgálati módszerei. 1. rész: Mintavétel (ISO 11127-1:1993) Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. Nemfémes szemcseszóróanyagok vizsgálati módszerei. 2. rész: A szemcseméret-eloszlás meghatározása (ISO 11127-2:1993) Acélfelületek előkészítése festékek és hasonló termékek felhordása előtt. Nemfémes szemcseszóróanyagok vizsgálati módszerei. 3. rész: A látszólagos sűrűség meghatározása (ISO 11127-3:1993) Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. A bevonat adhéziós/ kohéziós (leszakítási szilárdság) értékelése és elfogadási kritériumai. 1. rész: Leszakítás-vizsgálat (ISO 16276-1:2007) Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. A bevonat adhéziós/ kohéziós (leszakítási szilárdság) értékelése és elfogadási kritériumai. 2. rész: Rácsvágásos vizsgálat és X alakú bemetszés vizsgálata (ISO 16276-2:2007) Festékek és lakkok. Acélszerkezetek korrózióvédelme festékbevonat-rendszerekkel. 5. rész: Festékbevonat-rendszerek (ISO 12944-5:2007) Festékanyagok vizsgálata. Szín-összehasonlítás szemrevételezéssel Festékanyagok vizsgálata. Homogenitás meghatározása Festékanyagok vizsgálata. Tixotrop tulajdonság vizsgálata Festékanyagok vizsgálata. A bőrösödés meghatározása Festékanyagok vizsgálata. Terülési fok meghatározása Festékanyagok vizsgálata. Megfolyási fok meghatározása Festékanyagok vizsgálata. Átvonhatóság vizsgálata Festékanyagok vizsgálata. A hígíthatóság meghatározása Festékanyagok vizsgálata. Az üledék tömörségének és mennyiségének meghatározása Festékanyagok vizsgálata. A szín meghatározása Festékek és lakkok. A tapadás (adhézió) leszakításvizsgálata (ISO 4624:2002) Festékek és lakkok. Szabványos próbalemezek vizsgálathoz (ISO 1514:2004) Festékek és lakkok. Gyors alakváltozási (ütésállósági) vizsgálatok. 2. rész: Ejtősúlyos vizsgálat kis ütőfelülettel (ISO 6272-2:2002) Festékek és lakkok. A rétegvastagság meghatározása (ISO 2808:2007) Festékek és lakkok. Rácsvágásos vizsgálat (ISO 2409:2007)


53

Kotormán István fejlesztési és oktatási vezető Lindab Kft.

Vékony falú acélszerkezetek tűzvédelme

Fire protection of light-gauge . steel structures

A cikk első részében tömören ismertetjük az acél építőanyag főbb anyagtulajdonságait, különös tekintettel a magas hőmérsékleten, pl. tűzteher hatásá ra bekövetkező változásokra (1–2. fejezet). Röviden érintjük, milyen főbb tényezők befolyásolják, illet ve írják le a szerkezeti acél viselkedését tűzteher alatt. A 3. fejezetben részletesebben összefoglaljuk a tűzihorganyzott, vékony falú acélprofilok fajtáit, azok főbb alkalmazási területeit, megemlítve a tűzhatással szembeni védelem lehetőségeit és szempontjait. Végül a 4. fejezetben a 2008 májusában hatályba helyezett „új” Országos Tűzvédelmi Szabályzat (OTSZ) 5. fejezetére és honosított európai szabványokra hivatkozva követjük nyomon az épületek tűzteherrel szembeni megfelelőség-igazolásának néhány lépését, a vékony falú acéltermékek és épületszerkezetek csoportjánál általánosabb érvényű kérdéseket is felvetve.

In the first section of this paper, the main material properties of the steel as building material are briefly presented, with special regard to the changes of those ones, in the environment of high temperature, like fire effect (Chapter 1 and 2). Some important factors, influencing and describing the behaviour of structural steel in fire, are shortly mentioned. In Chapter 3 the types and application fields of hot-dip galvanized, thin-walled steel profiles are summarized, referring to the different aspects and possibilities of fire protection of those constructions. Finally, in Chapter 4, some important parts of the official approval method of fire protection of buildings are investigated, following the new Hungarian National Fire Protection Regulation (“OTSZ”) and some relevant EN European Standards. Beside the strict subject of thin-walled steel profiles, some concluding aspects have general meaning, as well.

1. Az acél mint építőipari alapanyag

ára. A hőmérséklet további növelése mellett a maradék szilárdság fokozatosan csökken tovább, végül gyakorlatilag megszűnik az acél olvadáspontjának elérésével (~1500 °C). A legnagyobb mértékű szilárdságcsökkenés általában a 400–600 °C közötti hőmérséklet-tartományban tapasztal ható [1,2,3]. Az anyagjellemzők hőmérséklettől függő értékét a szabványok a szobahőmérsékleten értelmezett, kezdeti értékből egy csökkentő (redukciós) tényezővel való szorzással származtatják [6]. Egy adott acélszerkezeti elem tűzteher esetén jellemezhető egy kritikus hőmérséklettel, amelynél a szerkezeti elem elveszti a teherbírását, határállapotba kerül. A kritikus hő mérséklet függ a tartószerkezeti elem igénybevételeitől az éppen ráható terhek hatására, a tartó keresztmetszetének alakjától és a közvetlen tűzzel való érintkezést megakadályozó burkolatok fajtájától, a tűzvédelem módjától. A keresztmetszet alakját jellemző paraméter az ún. szelvénytényező, amely az adott keresztmeszet kerületének és területének a hányadosa (U/A). Minél nagyobb a szelvénytényező, fajlagosan annál nagyobb felületen éri a tűz a profilt, azaz annál hamarabb éri el az acélprofil a kritikus hőmérsékletet. Ezt a hatást mérsékli a keresztmetszet egy vagy több oldalán elhelyezett, hosszabb tűzvédelmet biztosító szerkezeti elem, burkolat, vagy felvitt tűzvédő festés, amely a hő egy részét elvezeti, illetve megakadályozza a közvetlen tűzhatást. Elvileg léteznek számítási modellek, amely alapján az előző paraméterek figyelembevételével lehet konkrétan meghatározni a kritikus hőmérsékletet. Szakirodalom szerint [1,2] melegen hengerelt acélprofilok kritikus hőmérséklete 500–600 °C között, „vékony falú” (azaz 5 mm-nél kisebb falvastagságú) szelvényeké 350–450 °C tartományban alakul.

Az acél felhasználása a magasépítési szerkezetek anyagaként történelmi időkbe nyúlik vissza. Nagyon kedvező anyagtulajdonságait (magas szakítószilárdság, szívósság, alakíthatóság) elsősorban tartószerkezeti funkcióknál tudjuk kihasználni, az acélszerkezetek a saját súlyuk többszörösét képesek hasznos teherként hordani, illetve kiválóan alkalmasak nagy fesztávok áthidalására is. Ugyanakkor az acélanyag fizikai jellemzői más szempont ból kevésbé kedvezőek, amit a felhasználáskor szintén figyelembe kell venni. Bizonyos anyagtulajdonságokat acélgyártáskor megfelelő ötvözők bevitelével lehet javítani (pl. fáradt, ill. ridegtörés veszélyének csökkentése; korrózió elleni védelem). Továbbá ismert tény, hogy acél ked vezőtlenül jó hővezető anyag (λ=~50 W/mK), ezért az ilyen szerkezetű épületek megfelelő hőszigetelése érde kében körültekintő konstrukciós kialakításra van szükség (hőhidak csökkentése, kiküszöbölése). Végül említésre méltó anyagtulajdonsága az acélanyagnak, hogy a normál környezeti viszonyok esetén kedvező mechanikai és szilárdsági jellemzők magas hőmérsékleten – pl. tűzteher esetén – számottevően csökkennek.

2. S zerkezeti acél viselkedése . tűz esetén Az acélanyag szilárdsági és rugalmassági anyagjellemezői (szakítószilárdság, folyáshatár, rugalmassági modulus) kb. 100–200 °C hőmérsékleten kezdenek el veszíteni a szobahőmérsékleten mérhető értékükből, és kb. 600–800 °C-ig egyenletesen esnek le az eredeti érték ~15–20%-

54


(a)

(b)

1. ábra: MSZ EN 1993-1-2 szabvány [6] redukciós görbéje normál szénacél (a) és vékony falú acél (b) esetén

Az EC3-1-2 szabvány [6] melegen hengerelt, 1–2. osztályú („zömök”) keresztmetszetek esetére kezelhető eljárást ad a kritikus hőmérséklet számítására; a 4. keresztmetszeti osztályú és a hidegen hengerelt („karcsú”) acélprofilokra viszont konzervatív módon 350 °C értéket ír elő, míg pl. brit vagy skandináv előírások a nyomott oszlopok esetén 450 °C, hajlított gerendák esetén pedig 500 °C-ot engednek meg, kutatási eredményekre alapozva [2].

3. V ékony falú acélelemek . főbb felhasználási területei, . a tűzvédelem módjai A magasépítési acélszerkezetek speciális csoportját alkot ják az ún. „vékony falú” acélprofilok, amelyek régi szak mai definíció szerint 5 mm-nél vékonyabb alkotólemezek kel rendelkeznek. Ezen szelvények külön kezelése a „vastagabb” falú keresztmetszetektől elsősorban a statikai szempontból összetettebb viselkedés (lokális horpadással és alaki torzulással járó stabilitásvesztési módok) és a speciálisabb konstrukciós kialakítási lehetőségek miatt szükségszerű. Még szűkebb halmazt jelentenek azok a vékony falú profilok, amelyeket tűzihorganyzott tekercslemez alapanyagból, hidegen hengerléses gyártástechnológiával ál lítanak elő. A továbbiakban ezekkel a szelvényekkel, illetve ezekből előállítható szerkezeti elemekkel, rendszerekkel foglalkozunk. A hidegen hengerelt, horganyzott, vékony falú acélszelvé nyek közismert tagjai az önhordó trapézlemezek héjazat illetve burkolat, magasabb bordamagasság esetén pedig teherhordó födémlemez céljára; a falváz- és belső burko lat szerepét egyszerre betöltő falkazetták; valamint a különböző nyitott keresztmetszetű rúdelemek (Z/C/U profilok). Ebbe a termékkörbe sorolhatók a kétoldali bevonatos acélfegyverzettel – és hőszigetelő anyagtöltettel (pl. PUR-hab, kőzetgyapot) – rendelkező, előre gyártott szend vicspanelek, fal- illetve tetőburkolat kialakítására. Ezen termékek, gyártmányok alkalmazási területe a megvalósítandó épület jellegétől, funkciójától erősen függ, ami közvetve a tűzvédelmi követelményekre és lehetősé gekre is kihat. Lakó- és középületek esetén a vékony falú profilok főként a könnyűszerkezetes – teherhordó és/vagy térelhatároló, kitöltő – falváz- és födémrendszerek elemeiként szerepelnek [2,3]. Ilyen alkalmazások jellemzője, hogy

a)

b)

c)

2. ábra: V ékony falú, hidegen hengerelt, tűzihorganyzott . acélprofilok, gyártmányok: a) trapézlemezek; . b) acélfegyverzetű szendvicspanelok; c) vázprofilok

egyrészt kisebb szabad fesztávok fordulnak elő (4–6 m); másrészt a magas szintű esztétikai, hő- és hangszigetelési követelmények miatt az acélváz minden esetben burkolati lemezekkel burkolt, takart (OSB, gipszkarton, gipszrost, cementkötésű, ill. tűzgátló lapok stb.). Az elburkolás miatt az acélváz közvetlen tűzhatásnak nincs kitéve, és a megfelelő anyagok felhasználásával előállított összetett rétegrendek jelentős tűzállósági határértéket is elérhetnek (30–60–90 perces), ami persze az erős tűzvédelmi követelmények miatt kívánatos is. Más a helyzet az ipari, kereskedelmi, logisztikai, mező gazdasági épületeknél, csarnokoknál alkalmazott könnyű szerkezetes elemekkel illetve rétegrendekkel, ahol a vé kony falú acélelemeket általában közvetlenül is érheti a tűz. A másodlagos tartórendszerek (tetőszelemen, falvázge renda) Z/C szelvényei csak külső oldalra helyezett burko latok (trapézlemez vagy szendvicspanel) esetén nagy felü leten vannak kitéve belső oldalról közvetlen tűzhatásnak (alsó öv, gerinclemez). Ugyanígy a magasbordás trapézlemezzel készülő lágyfedéses tetőfödém vagy a falkazettás rendszerű oldalfalburkolatnál a vékony falú lemez belső oldala védtelen tűzzel szemben. A tűzvédelem növelése az utóbbi alkalmazásoknál leginkább kiegészítő tűzgátló burkolatokkal (álmennyezettel, előtétfallal) oldható meg, amely akkor lehet gazdaságos, ha a belső oldalról egyéb szempontok (pl. esztétika, funkció) miatt egyébként is el kell takarni az egyébként látszó acélelemeket. Érdemes megemlíteni, hogy a vékony falú szelemenek már belső trapézlemezzel burkolt, hőszigeteléssel kitöltött rétegren dekben is jelentősen jobb tűzvédelmet biztosítanak, mint védetlen esetben.


55

a)

b)

c) 3. ábra: K önnyűszerkezetes acél falváz- és födémrendszerek használata lakó- és középületekben. Vázkitöltő fal: a) és b); Teherhordó födém: c)

Az acélfegyverzetes, hőszigetelt, előre gyártott szendvicspanelok önmagukban is külön kategóriát jelentenek, főként az ipari, kereskedelmi, logisztikai csarnokok, de olykor már a középületek tető- és/vagy falburkolataként felhasználva. A szendvicspaneloknál alapvetően a kitöltő hőszigetelő mag tulajdonságaitól függ a tűzállósági teljesítmény, amit megfelelői gyártói vizsgálattal szükséges igazolni. Ehelyütt ezekkel nem foglalkozunk részletesen.

56

A vékony falú tűzihorganyzott Z/C/U profilok látszó (nem takart, burkolt) felületére tűzvédő festés is felhordható, azonban fontos a megfelelő alapozófesték kiválasztása, amely a horganyzott felületen is kellő és tartós tapadást biztosít. A profilok nagy U/A szelvénytényezője miatt a festék anyagfelhasználása ilyen esetekben az átlagnál nagyobb.


a)

b)

c) 4. ábra: I pari, kereskedelmi, logisztikai épületek, csarnokok tipikus tető- és falburkolati rendszerei. a) Trapézlemezekből szerelt burkolat; b) Szendvicspanel; c) Magasbordás trapézlemez lágyfedéssel

4. T űzállósági követelmények . (új OTSZ, EN szabványok) Természetesen, az acélanyag magas hőmérsékleten, pl. tűzteher alatt bekövetkező változásainak (2. fejezet), va lamint az acélszerkezetek különböző alkalmazási terüle tein (3. fejezet) megkívánt biztonsági követelményeknek szükségszerűen meg kell jelennie a mérnöki tervezés és a hatósági szabályozás napi gyakorlatában is. Magyarországon 2008. májusában lépett hatályba az „új” Országos Tűzvédelmi Szabályzat (OTSZ), a 9/2008 (II. 22.) ÖTM

rendelet értelmében, honosított európai szabványokban meghatározott vizsgálati módszerek és osztályozások jogszabályba építésével. Az új OTSZ 5. része tartalmazza az építmények tűzvédelmi követelményeit, ahol többek kö zött a különböző tűzállósági fokozatokban, az épületek funkciója és szintszáma alapján, épületszerkezeti szerep szerint vannak megadva az éghetőségi és percben kifeje zett tűzállósági teljesítményértékekre („határértékekre”) vonatkozó előírások. A követelmények rendszere, logikája hasonló a vonatkozó korábbi előírásokhoz (2/2002. BMrendelet; MSZ 595), azonban jelentős különbség például,


57

hogy az új OTSZ már nem ad az építőanyagokra és gyakorlatban sűrűn előforduló épületszerkezeti rétegrendekre általánosan alkalmazható, gyártótól függetlenül érvényes konkrét értékeket. Az építőanyagok korábbi éghetőségi osztályai („nem ég hető”, „nehezen/könnyen éghető” stb.) helyett az építési termékek MSZ EN 13501-1 szabvány [8] szerinti tűzvédelmi osztályba sorolását kell megadni (A1,A2,B,C,D,E,F). A vé kony falú, natúr tűzihorganyzott acélprofilok (azaz amikor a cinkréteg mellett más bevonat nincs) vizsgálat nélkül sorolhatók az A1 osztályba (pl. Z/C/U profilok, bevonat nélküli trapézlemezek). A lemeztermékek esetében, a horgany rétegen felüli bármilyen szerves vagy szervetlen, általában színezett bevonat (pl. poliészter, plasztiszol stb.) esetén már laboratóriumi vizsgálattal kell a besorolást elvégezni, a különböző vastagságú és hőtermelő képességű bevonattípusok füstképződési és égve csepegési jellemzői miatt (pl. A2-s1-d0). A tetőhéjazatként használatos bevonatos acél trapézlemezek a gyakorlati esetek többségénél külön vizsgálat nélkül kielégítik az MSZ EN 13501-5 szabvány [10] szerinti BROOF(t1), BROOF(t2) és BROOF(t3) osztályok krité riumait. A különböző épületszerkezeti elemek, rétegrendek tűz állósági teljesítmény jellemzői (régebbi elnevezés szerint „határértékei”) az OTSZ előírása szerint vagy szabványos laboratóriumi vizsgálatokkal, vagy Eurocode szerinti számítással határozhatók meg (tűzterhelés esetén, rendkívüli tervezési állapotban). Ez természetesen vonatkozik az előzőekben ismertetett, vékony falú acél felhasználásával épített szerkezetekre is [4]. A tűzállósági teljesítményértékek számítással történő meghatározási lehetőségével a korábbi gyakorlatnál, azaz táblázatban „bedrótozott” értékek kikeresésénél mindenképpen magasabb szintű, a kiindulási feltételeket árnyal tabban figyelembe venni képes módszer válik lehetővé. Az acélszerkezetek esetén rendelkezésre állnak a vonatkozó Eurocode szabványok: a tűzteherre történő tervezést általánosan szabályozó [5,6] és a vékony falú szelvények méretezését normál körülmények között előíró részek [7], ezek együttes alkalmazásával elvileg elvégezhető bármilyen egyedi szerkezeti kialakítás ellenőrzése. Ez a módszer azonban jelen cikk írásakor egyelőre nem igazán működhet, mivel a szerkezeti Eurocode szabványok teljeskörűen még nem állnak a tervezők rendelkezésére (némelyikhez még hiányzik a hazai használathoz nélkülözhetetlen Nemzeti Melléklet), márpedig szakmai szempontból és jogszabály szerint is kötelező egy adott építmény tervezését minden elemében azonos szabvány szerint elvégezni [4]. Másrészt a szerkezeti Eurocode-ok közvetlen alkalmazása csak a teherbírásra jellemző „R” érték számítására alkalmas, összetettebb jellemzők („RE”, „REI” stb.) meghatározására fejlettebb számítási modellek, módszerek lennének használhatók. Gyakorlati felhasználásra alkalmas és a szakemberek számára elérhető ilyen jellegű segédletek, tervezési eszközök összeállítására rendkívül nagy és sürgős szükség lenne! Így hát még egy ideig biztosan az egyetlen rendelkezésre álló lehetőség a tűzállósági teljesítmények meghatározására a tűztesztek elvégzése akkreditált európai laborokban, majd az eredmények alapján a vizsgált épületszerkezeti konfiguráció MSZ EN 13501-2 szabvány [9] szerinti osztályba sorolása. Gyakorlati alkalmazásokban a probléma ott jelentkezik, hogy a különböző építőanyagok illetve gyártott termékek felhasználásával, kombinálásával végte

58

len számú épületszerkezeti megoldás képzelhető el, amelyek megfelelősége normál körülmények között („tartós tervezési állapotban”) egyéb szakági tervezéskor számítással igazolható (pl. statika, hőtechnika). A tűzállósági teljesítmény jellemzők viszont csak a költséges és időigényes laborvizsgálat révén határozhatók meg. A gyártó cégek jogszabály, szabvány szerint csak a saját gyártmány, termék EN 13501-1 szerinti osztályának megadására kötelezettek, viszont megfelelően használható számítási eszközök hiá nyában az összeállított szerkezetek, rétegrendek laborvizsgálata és a tűzteljesítmény meghatározása is leginkább a gyártókra hárul jelenlegi gyakorlat szerint. Előnyben vannak azok a nemzetközi gyártó cégek, amelyek más EUországban már végeztek el olyan laborvizsgálatokat, amely nek eredményei illeszthetők az OTSZ követelményeihez. De mindig lesz olyan épületszerkezeti rétegrend, amelyre – habár műszakilag megfelelő és gazdaságos – éppen egyik gyártónak sincs teljes érvényű vizsgálati eredménye. Ez utóbbi probléma kezelésére ad gyakorlati lehetőséget az elvégzett laborvizsgálatok „kiterjesztett” kiértékelése, amely a konkrétan elvégzett tűzteszt eredménye alapján a kiindulási adatok bizonyos változtatása esetére is ad számítással igazolható érvényességet, tehát tulajdonképpen kombinálja a vizsgálattal és számítással történő meghatározási módszereket. Ennek megvalósítása leginkább a vizsgáló labor és a megbízó (leginkább gyártók) közötti szoros szakmai együttműködést igényli.

Felhasznált szakirodalom, szabványok [1] C sellár Ödön: Magasépítési Acélszerkezetek. 2. füzet: Acélvázas épületek. Egyetemi jegyzet, Budapesti Műszaki Egyetem, Építőmérnöki Kar. Műegyetemi Kiadó, 1994 [2] Ranby, Anders: Structural Fire Design of Thin Walled Steel Sections. Licentiate thesis; Lulea University of Technology, Department of Civil and Mining Engineering. 1999 [3] European Lightweight Steel-framed Construction (ISBN: 2-9523318-2-0). Arcelor, Luxembourg, 2005 [4] Takács Lajos Gábor: A tűzállósági fokozat megha tározása, épületszerkezetek tűzvédelmi követelményei, tűzterjedés megakadályozása épületen belül. Konferencia-jegyzet. Siófok, 2008. április [5] MSZ EN 1991-1-2:2005: Eurocode 1: A tartószerkezeteket érő hatások. 1–2. rész: Általános hatások. A tűznek kitett szerkezeteket érő hatások [6] MSZ EN 1993-1-2:2005: Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése. 1–2. rész: Általános szabályok. Tervezés tűz terhelésre [7] MSZ EN 1993-1-3:2007: Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése. 1–3. rész: Általános szabályok. Kiegészítő szabályok hidegen alakított elemekre [8] MSZ EN 13501-1:2007: Épületszerkezetek és építési termékek tűzvédelmi osztályozása. 1. rész: Osztályba sorolás a tűzveszélyességi vizsgálatok eredményeinek felhasználásával [9] MSZ EN 13501-2:2008: Épületszerkezetek és építési termékek tűzvédelmi osztályozása. 2. rész: Osztályba sorolás – a szellőzési rendszerek kivételével – a tűzállósági vizsgálatok eredményeinek felhasználásával [10] MSZ EN 13501-5:2006: Épületszerkezetek és építési termékek tűzvédelmi osztályozása. 5. rész: Osztályba sorolás a külső tűzhatásnak kitett tetők vizsgálati eredményeinek felhasználásával


Dr. Kakucs András Sapientia Egyetem, Marosvásárhely Dr. Száva János, Dr. Varga Béla, Dani Péter Doktorandusz, Gálfi Botond-Pál Doktorandusz Transzilvánia Egyetem, Brassó

FELHABZÓ FESTÉKEK VÉGESELEMES MODELLEZÉSE FINITE ELEMENT APPROACH OF STEEL STRUCTURES’ INTUMESCENT COATINGS Abstract: The paper presents a new possibility of modeling the behavior of intumescent fire protective coatings based on the method of finite elements.

There is also described a simple procedure of the estimation of the heat conductibility of the intumescent coatings.

1. BEVEZETŐ

2. FELHABZÓ FESTÉKEK

A felhabzó festékek hőszigetelő anyagok, amelyek eredeti állapotukban egy közönséges festékbevonatot alkotnak a szigetelendő test (általában fémszerkezet) felületén. Magasabb hőmérsékleten a festék meglágyul, majd a hőmérséklet emelkedésével a tömegében különböző kémiai folyamatok mennek végbe, melyek következtében az erőteljes habzást mutat. Végül a festék teljesen elbomlik, és a visszamaradó elszenesedett anyag egy laza szerkezetű porózus bevonatot képez a bevont tárgy felületén. A felhabzó festék kiemelkedő hőszigetelő tulajdonságai csak a felhabzás kezdetétől mutatkoznak meg és többnyire a porózus szerkezetével magyarázhatók. Amennyiben egy ilyen festékréteg hőszigetelő tulajdonságát számszerűen le akarjuk írni, néhány akadályba üt közünk, ugyanis az annak állapotától függ, és ez az ál lapot a hőmérséklet és az idő függvénye. Éppen ezért a felhabzó festékek hőszigetelő képességét többnyire kí sérleti alapon, adott, standardizált T(t) hőmérséklet-görbéknek megfelelően megállapított képletekkel írják le. E képletek csak a rúdszerű szerkezeti elemekre, azok ke resztmetszetére érvényesek, ahol feltételezik, hogy a tűz hatásának kitett elem felületén a hőmérséklet minden pontban azonos. E módszer tehát alkalmatlan a nemstandardizált hőterhelésnek kitett rúdszerkezetek elemzésére, ugyanakkor semmit sem mond arról, hogy miként fog viselkedni egy olyan szerkezeti elem, amelyet nem jellemezhetünk egyetlen keresztmetszetével, vagy hogy mi történhet a csomópontok, illesztések zónájában. Egy pontosabb elemzésnek követnie kellene a festék állapotának és tulajdonságainak hőmérséklet- és időfüggő változását. A modellezéshez szükséges paramétereket kísérletileg állapíthatjuk meg. A festék különböző szerves anyagok keveréke, tehát a lejátszódó kémiai reakciók megállapítása igen nehéz lenne. Ezért a festék bomlását globálisan tekintjük, kezdetét és végét makroszkopikusan megfigyelhető jellegekhez kötjük (ez az első buborékok megjelenésétől a habzó réteg megszilárdulásáig tart), az időtől függő paraméterek mérését is e pillanatokhoz kötjük. Az így megállapított paraméterek ismeretében, a szerkezet tényleges, háromdimenziós geometriájának és anyagának leírásával, tetszőleges kezdeti és peremfeltételek mellett egy megfelelően megalkotott végeselemes algoritmussal meg jósolható az illető, tűzvésznek kitett szerkezet viselkedése.

A festékre vonatkozó gyakorlati kutatások kimutatták, hogy a festék termikus elbomlását (pirolízisét) kísérő hab képződés csak egy bizonyos hőmérsékleti határ átlépése után következik be. A festék kémiai összetételét természetesen úgy állapítják meg, hogy ez a pirolízis eléggé alacsony hőmérsékleten következzék be, eléggé hosszú ideig tartson és eléggé nagy mennyiségű habképző gáz szabaduljon fel. E bomlás alatt a festék el nem szenesedett része plasztikusfolyékony állapotban kell legyen. A felhabzó réteg alacsony hővezető képességét egyrészt a gázbuborékok jelenlétével magyarázhatjuk (mint bármely pórusos hőszigetelő anyagét – a gázok hővezető képessége sokkal gyengébb, mint a folyadékoké vagy a tömör szilárd anyagoké), másrészt pedig a gázbuborékok mozgásával is: a szabad felület fele mozgó, kiterjeszkedő buborékokkal egy bizonyos hőmennyiség is a bevonat külseje fele vándorol, tehát egy konvektív hőszállítási folyamatról beszélhetünk. A felhabzást előidéző kémiai folyamatok befejeződése után a porózus festékréteg megszilárdul, magasabb hőmér sékleten pedig elszenesedik, s így egy merev hőszigetelő réteget alkot a bevont szerkezeti elemeken. Magas hőmér sékletnek kitéve végül is a felizzó réteg elég. Ezen egymást követő folyamatok (a festékréteg meg lágyulása, felhabzása, elszenesedése és elégése) időben játszódnak le, intenzitásuk pedig a hőmérséklettől függ. A magas hőmérsékletű környezettel nyilván a réteg külső rétege kerül kapcsolatba leghamarabb, tehát a folyamatok ott indulnak meg és onnan terjednek befele. A festékréteg vastagságában a hőmérséklet a tűzvészből származó, a külső felületen mérhető értéktől a bevont szerkezeti elem felületéig, annak alacsonyabb hőmérsékletéig csökken. Következésképpen a festékréteg a teljes vastagságában történő elszenesedését megelőzően inhomogén szerkezetű lesz, tipikus felépítését az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra: A felhabzó festékréteg szerkezete


59

A festékbevonat keresztmetszetén tehát egy adott pillanatban több réteget is megkülönböztethetünk, s annak hőszigetelő képességét mindezen rétegek együttes hatásának köszönheti. Az ábrán nem szereplő alapozóréteg és az érintetlen (szilárd) festékréteg a vastagságával és a l hővezető képességével jellemezhető, mely paraméter tulajdonképpen a hőmérséklet függvénye: l = l (T). A meglágyult festék rétegben a hővezetés mellett egy konvekciós hőátadás is felléphet, mely utóbbi folyamat egy a együtthatóval jel lemezhető (lásd Newton lehűlési törvénye) és amely tu lajdonképpen egy sokváltozós függvény értéke. A felhabzó rétegben mindezek mellett még a reakcióhőt és a bu borékok által elszállított hőt is figyelembe kellene venni, míg a megszilárdult, elszenesedett rétegben megint csak a hővezetés jut döntő szerephez. A festék elbomlását kö vetően a rétegek vastagsága az időben folyamatosan válto zik, és ez a változás a hőmérséklet-különbség, valamint a már elbomlott festékmennyiség függvénye. A modellezés elméleti alapját a hővezetés differenciál egyenlete (Fourier törvénye) képezi, amelyet a festékréteg gel bevont tárgy által elfoglalt térrészben írunk fel a meg felelő kezdeti és peremfeltételekkel. Az említett komplex folyamatok modellezésében a lehető legegyszerűbb megoldás csak a hővezetés figyelembevétele, ilyenkor az 1. ábrán látható szerkezetet egyetlen l paraméterrel írjuk le. Mivel ez a kísérletileg megállapítható paraméter a rétegek állapotától függ, l csak egy adott hőmérsékleti terhelésgörbére és egy adott szerkezetre adható meg a kívánt pontosságon belül. Az így megállapított hővezetési tényező magába foglalja a konvekciós folyamatok és a kémiai reakciók hatását is. Stacionárius körülmények között a közismert Fourier-egyenlet írja le a hővezetés jelenségét:

(1)

ahol j a hő fluxusa. A jelenség azonban nem stacionárius, hiszen úgy a külső felület hőmérséklete (amit pl. a standardizált görbe ad), mint a bevonattal ellátott alkatrész hőmérséklete (hiszen az fokozatosan melegszik) időben változik. Éppen ezért a Fourier-egyenlet második formáját kellene használni, mely figyelembe veszi a hőszigetelő rétegben tárolt és az ott fejlődő hő mennyiségét is:

3. A VÉGESELEMES MODELLEZÉS A végeselemes modellezés lehetővé teszi az említetten kívüli egyéb peremfeltételek előírását is, amelyek az új modellezési módszer alkalmazhatósági körét terjesztik ki. A lehetséges peremfeltételek teljes leltára tehát a következő: – a perem bizonyos S1 részén előírhatjuk a hőmérséklet TS értékét; – a perem S2 részén előírjuk a hő merőleges irányú qS fluxusát; – a perem S3 részén szintén a fluxusra vonatkozó feltételt írunk elő, megadván a konvekciós hőátadás a együtt hatójának zérótól különböző értékét és az áramló flui dum Tf hőmérsékletét; – a perem S4 részén a fluxusra nézve egy harmadik fajta feltételt írunk elő, megadván az e emisszivitási tényezőt és a környezet Tf hőmérsékletét; – a perem azon S5 részén, ahol az előbbi öt feltétel vala melyikét nem írtuk fel, zérus fluxussal számolunk (azt adiabatikusan szigeteltnek tekintjük). A hővezetés végeselemes modellezése során a (2) diffe renciálegyenlet megoldása a

(3)

(2)

(ebben az egyenletben t az idő, r az anyag sűrűsége, c annak fajhője, qV pedig az egységnyi térfogatban felszabaduló hő teljesítménye; ez utóbbi mennyiségek a hőmérséklet függ vényei). A gázbuborékok által elszállított konvekciós hőt a l hővezető képességbe építhetjük be. Az így felírt egyenletek nem veszik figyelembe azt a tényt, hogy a felhabzó réteg térfogata megnövekedik. Ezt a hiányosságot kiküszöbölni úgy tudjuk, hogy az egyenletben szereplő paramétereket a festék eredeti térfogatához viszonyítva adjuk meg, a felhabzást követően is. A (2) egyenlet megoldása csak megfelelő kezdeti és pe remfeltételek mellett lehetséges. Esetünkben, a felhabzó festékek számításának gyakorlata alapján a szóba jövő kezdeti feltétel a szerkezet geometriai tartományán a t = 0 pillanatban érvényes T0 = T (x, y, z, t = 0) hőmérsékleti mezőjét jelenti, míg az időben változó peremfeltételek közül a felületen érvényes T = T (t) előírt hőmérséklet lenne az.

60

A megfelelő kezdeti és peremfeltételeket felírván a (2) differenciálegyenletet numerikusan lehet oldani. Ez a meg oldás az egyenletben szereplő paraméterek (c, r, l, qV) ismeretét feltételezi. Ezek a maguk rendjén többváltozós függvények lehetnek, ahol a festék bomlása miatt az idő (és a bomlási sebesség) is megjelenik. E mennyiségeket kísérletileg megállapítani eléggé nehéz feladat, s éppen ezért a felhabzó festékekre vonatkozó gyakorlati jellegű számításokban egyszerűbb, kevesebb paraméterű relációkat alkalmaznak. Ezek a relációk különféle egyszerűsítő feltételekre alapoznak. Tanulmányainkban a jelenségek modellezésének szempontjából meghatározó jellemzőket parametrikus számításokkal próbáltuk elkülöníteni a jelentéktelen hatásúaktól, ugyanakkor egyszerű kísérleti eljárásokat próbáltunk ki fejleszteni a lényeges jellemzők meghatározására.

egyenletrendszer rekurzív megoldását jelenti, amelynek során az „ i + 1” pillanatban érvényes hőmérsékleti mezőt az „i” pillanatban érvényes adatokra (hőmérséklet, anyagparaméterek) támaszkodva számítjuk ki. Az egyenletrendszerben szereplő mennyiségek a következőkben soroljuk fel: • [ K ] a szerkezeti „merevségi” mátrix, amely a hővezető képességen kívül figyelembe veszi a konvekciós hőátadásra és a hősugárzásra vonatkozó peremfeltételeket is. Ezt a szerkezeti merevségi mátrixot a végeselem-módszer szokásos eljárásaival az elemi merevségi mátrixokból állítjuk össze:


(4)

Ez utóbbi képletben az [N]e mátrixok a végeselemek közelítő függvényeit, a [B]e mátrixok pedig azok deri váltjait tartalmazzák. [l]e a végeselemet kitöltő anyag hővezető képességének mátrixa (egy olyan diagonális mátrix, amelynek átlóján l szerepel), a a Newton-féle lehűlési törvényben szereplő, a konvekciós hőátadást jellemző együttható, s a Stefan–Boltzmann-állandó, e az emissziós tényező, k pedig a Stefan–Boltzmann-törvény 2 2 linearizálásához szükséges együttható (k = (Ts + Tf ) . (Ts + Tf) , ahol Ts a felület, Tf pedig a felület fölött áramló fluidum hőmérséklete). Mivel ezen képletben szereplő együtthatók a hőmérséklettől és/vagy az anyag állapotától függenek, a {T}i+1 hőmérsékletek kiszámításakor azokat a {T}i hőmérsékleteknek megfelelő értékeikkel vesszük. Amennyiben a dt lépést eléggé kicsinek vesszük, ez a közelítés nem fogja elfogadhatatlan mértékben befolyásolni az eredményeket. • [C] a szerkezet hőkapacitásának mátrixa, amelyet szintén az elemi mátrixokból állítunk össze:

(5) ahol r a végeselem anyagának sűrűsége, c pedig annak fajhője. A sűrűség tulajdonképpen a hőmérséklet függvénye, mivel az anyag térfogata a hőmérséklettel megváltozik. A hővezetés modellezésében azonban az a bevett eljárás, hogy mindig az eredeti geometriára vonatkoztatunk, mivel a hőtágulás ilyen irányú befolyása általában elhanyagolható. Ezen általánosság a felhabzó festékre nem érvényes, mivel annak térfogata jelentősen megnövekszik, azonban nem követünk el hibát, ha a reá érvényes anyagjellemzőket eredeti térfogatához viszonyítva adjuk meg (természetesen a hőmérséklet és az állapot függvényében), mivel ez a festék csak egy vékony felületi bevonatot alkot, és így nem befolyásolja érzékenyen a tanulmányozott szerkezet geometriáját. A fajhő (amit a hővédő festék esetében a festék eredeti tömegére vonatkoztatunk) a hőmérséklet függvénye, tehát e mátrix kiszámításakor is az előző, „i” pillanatban érvényes állapotra támaszkodunk.

• dt a Fourier-egyenlet lépésenkénti integrálásának időlépése. A (3) egyenletrendszer ezen integrálás rekurzív képlete, amely feltétel nélkül stabil, de nem feltétlenül pontos is. A pontosság, azonban a számítási idő is, e lépés hosszúságának csökkentésével nő. Mivel aranysza bályok, képletekkel leírható összefüggések e lépés optimális hosszúságának megállapítására nem léteznek, ezt csak próbálkozással állapíthatjuk meg. A Peremfeltételek egy része, az előírt csomóponti hő mérsékletek a (3) egyenletrendszer {T}i+1 vektorában je lennek meg. Ez a vektor az egyenletrendszer ismeretleneinek vektora, tehát szét kell választanunk az előírt és az ismeretlen hőmérsékletű csomópontokra vonatkozó egyenleteket. Ehhez először is átrendezzük a (3) egyenlet rendszert:

(7)

amit röviden

(8) formában is felírhatunk. A {T*} vektorban ismert és isme retlen tagok is jelen vannak, a (8) egyenletrendszert ennek megfelelően particionáljuk, ahol az „1” indexek vonatkoznak az ismeretlen, a „2” indexek pedig az ismert (előírt) csomóponti hőmérsékletekre:

(9) Innen az ismeretlen hőmérsékleteket a partíciókkal felírt

(10) rendszerből határozhatjuk meg, vagyis a

(11) • {R} a szerkezeti „terhelés” vektora, amely az elemi terhelésvektorokból tevődik össze:

(6) Itt qV az egységnyi térfogatban időegység alatt keletkező vagy elnyelt hő mennyisége; esetünkben ez konkrétan a festék bomláshőjét jelenti. qS a peremfeltételekre vonatkozik: a hő előírt fluxusát jelenti (időegység alatt egy ségnyi felületen keresztül leadott vagy felvett hőt. Az utolsó két tag szintén a peremfeltételekből ered, méghozzá a konvekciós és a sugárzással történő hőátadásból erednek. • {T}i az aktuális lépés elején érvényes, ismert csomóponti hőmérsékleteket tartalmazza, a {T}i+1 vektorban pedig a peremfeltételként előírt, tehát ismert hőmérsékleteken kívül a (3) lineáris egyenletrendszer ismeretlenei szerepelnek.

egyenletrendszert kell megoldanunk. Az előírt hőmér * * sékletekből származó terhelést tehát a –[K 2, 1 ] . {T 2} mennyiség jelenti. Amennyiben a fentiekben szereplő anyagjellemzők állandók, úgy az ismertetett végeselemes eljárás lineáris változatával állunk szemben. Kiindulási alapnak ezt a li neáris algoritmust tekintettük, a leírtak alapján megírt programot pedig egyéb végeselemes programokkal végzett összehasonlító számítások eredményeinek egybevetésével ellenőriztük. A hővédő festékek elemzésekor a bevont szerkezet általában fém, amelyet gyakran lineáris viselkedésűnek tekintenek. A nemlineáris viselkedés fő forrása a hő hatásának kitett bevonat kémiai átalakulása. A nemlineáris viselkedést a különféle jellemzők (a l hővezető-képesség, a c fajhő, az a konvekciós tényező, az e emissziós tényező és az anyag belsejében keletkező qV hő) hőmérséklettől függő változása jelenti. Ezeket a mennyiségeket a hőmérséklet függvényében, értékpárokkal adjuk meg, és feltételezzük azt, hogy két egymást követő pont között az illető mennyiség nagysága lineárisan változik a hőmérséklettel.


61

Az eddigi algoritmust és programot tehát egy olyan résszel kell kiegészítenünk, amelyben valamely lépésben az azelőtti lépés végén érvényes hőmérsékletek segítségével interpoláljuk a hőmérséklet-függő jellemzők aktuális értékét. Ami a helyzetet bonyolítja és ami a szokásos algo ritmusokban nem fordul elő az a festék bomlása, vegyi összetételének megváltozása. A felsorolt paraméterek tehát végső soron nem csak a hőmérséklettől fognak függeni, hanem időben is fognak változni. Az idő, mint paraméter, a festék bomlásának követésekor jön számításba. Egy reakció, így a festék bomlása is, bizonyos sebességgel megy végbe:

(12) mely összefüggést a kémiában egy-egy vegyületre nem a tömeg, hanem a nm anyagmennyiség időbeni változásaként definiálnak (azonban, mivel a m móltömeggel m = nm . m és mivel a móltömeg egy konstans szám, a (12) reláció is helyes lesz). Ez az összefüggés egységnyi tömegű kiindulási anyagra érvényes. A „–” előjel arra utal, hogy bomlás közben a tömeg csökken. Ez a reakciósebesség függ a hőmérséklettől és az anyagok x koncentrációjától is. A festék maga nem ég, de anyaga termikusan bomlik. Kémiai szempontból a festék bomlása elsőrendű reakciónak tekinthető: ezeknél a folyamatoknál a reakciósebesség a koncentrációval egyenesen arányos, tehát

(13) ahol k az anyag (a festék) bomlásának reakciósebességi állandója, a koncentráció pedig az el nem bomlott festék tömegének aránya a kezdeti tömeghez viszonyítva:

(14) Egy dt, nem túl hosszú időlépés alatt a (12) képlet szerint elbomló anyag mennyisége m0 tömegű kiindulási anyagra kiszámítva:

(15) ahol a v reakciósebességet az időlépés rövidsége miatt állandónak tekinthetjük. E sebességet a (13) és a (14) kifejezések felhasználásával a sebességállandóval és a festék kezdeti tömegével határozhatjuk meg, az időlépés alatt elbomló anyag mennyisége

(16) lesz, ahol m a lépés elején jelen levő el nem bomlott festék tömege. A festék bomlása akkor zajlik le, amikor az elbomló tömegek így kiszámított dm mennyiségeinek összege el nem éri a kiindulási m0 tömeget. Ez elméletileg sohasem következne be, mivel az el nem bomlott anyag tömege exponenciálisan, aszimptotikusan csökken a nulla felé:

(17) az algoritmus végességének érdekében tehát a festék bomlását befejezettnek kell tekintsük, amennyiben az el nem bomlott festék koncentrációja 1‰ alá csökken. Az ezalatt felszabaduló reakcióhő az anyag belsejében keletkező hővel azonos. Programunkban ezt a hőt a qV

62

mennyiséggel lehet kapcsolatba hozni, amely az időegység alatt egységnyi térfogatban felszabaduló hő. A qsp reakcióhőt, égéshőt egységnyi tömegre vagy térfogatra szokás megadni, az az egységnyi kiindulási anyag elbomlásakor, elégésekor felszabaduló hő. Ha egységnyi térfogatra adjuk meg, akkor a dt lépés alatt elbomló anyag mennyiségével

(18) A számításokhoz szükséges mennyiségek tehát a k (T ) reakciósebességi állandó, ami tulajdonképpen a hőmér séklet függvénye, valamint a festék térfogatra fajlagosított égéshője. A számítások során követnünk kell a festékrétegek állapotát. Ez a következőképpen történik: – ha a festék hőmérséklete kisebb, mint annak TL lágyulási pontja és a festék előzetesen nem bomlott el, akkor az szilárd halmazállapotúnak és kémiai változást nem szenvedettnek tekinthető; – ha a festék hőmérséklete a TL lágyulási pont fölött van de a reakciók beindulásához szükséges TR határértéket még nem érte el és az előzetesen nem bomlott el, akkor az folyékony halmazállapotúnak és kémiai változást nem szenvedettnek tekinthető; – ha a festék hőmérséklete a TR határérték felett van és az előzetesen még nem bomlott el, akkor az a termikus bomlás állapotában van; – amennyiben a festék anyaga már teljesen elbomlott, akkor az a hőmérséklettől függetlenül a teljesen elszenesedett festék állapotában van. Tehát annak megállapítására, hogy a festék milyen álla potban van, nemcsak a hőmérsékletét kell figyelnünk, hanem annak előéletét is (vagyis hogy előzetesen milyen folyamatokon ment keresztül). A paramétereket ezen álla potnak és az aktuális hőmérsékletnek megfelelően adjuk meg. A festékbevonatot a modellezés során több, egymással párhuzamos rétegre bontjuk, egy-egy végeselem állapotát pedig a belsejében levő anyag átlagos hőmérsékletének függvényében adjuk meg.

4. A VÉGESELEMES ELJÁRÁS TESZTELÉSE A tesztelés során a végeselemes modellezésben szereplő paraméterek hatását teszteltük, a kiszámított eredmények összehasonlításával. A tanulmányozott keresztmetszet T alakú volt, 15 mm vastag szárakkal, amelyet az ISO-834 szabvány (a 2. ábrán a legfelső görbe) által előírt hőmérséklet-görbével „terheltünk” (a feszín előírt hőmérséklete e görbe szerint változott). Az első kérdés, amire a választ kerestük, a festékbevonat rétegeinek optimális számára vonatkozott. Elméletileg minél vékonyabb rétegekre, végeselemekre osztjuk fel a bevonatot, a valóságnak annál jobb közelítését kell kapjuk. A végeselemek számának növekedése azonban a számítási idő és a kerekítési hibák hatásának növekedéséhez vezet, éppen ezért léteznie kell egy optimális rétegszámnak, amely fölött a haszon már nem áll arányban a ráfordítással. Az első tanulmányozott paraméter tehát a rétegek száma, amelyet három, különböző vastagságú festékbevonat esetében teszteltünk (egy Nordtest kutatásban, [3] használt minta 1.34 mm-es vastagsága volt a kiindulási alap, azután ennek felét és kétszeresét vettük). A 2. ábra az 1.34 mm-


2. ábra: A rétegek számának hatása

3. ábra: Az időlépés hosszának hatása

es vastagságú bevonattal ellátott keresztmetszet belsejében (annak egy kijelölt pontjában) érvényes hőmérsékletet ábrázolja, a rétegek számának függvényében. Az ábrából az derül ki, hogy az egyetlen rétegnek megfelelő görbét kivéve azok egymást fedik, az eredmények tüzetesebb tanulmányozása során azonban kiderült, hogy a kiszámított hőmérséklet a rétegek számának növekedésével csökken. Ezért kiszámoltuk a 2 és 20 réteggel kapott hőmérsékletek különbségét, majd annak maximum-pontjában megrajzoltuk a hőmérsékletek grafikonját a rétegek számának függvényében. Hasonló görbéket kaptunk a fele és a kétszer olyan vastag bevonatok esetében is. E görbékből azt a következtetést vontuk le, hogy kielégítően pontos eredményekhez jutunk akkor is, ha aránylag kevés (3 ... 5) réteggel dolgoznunk és ilyenkor a számítási idő sem növekedik meg túlzott mértékben. A második tanulmányozott paraméter szintén a véges elemes analízis sajátságos mennyisége, a numerikus integ-

rálásnál használt dt időlépés hossza volt. Minél rövidebb a lépés, annál kevésbé lesz zavaró a nemlineáris viselkedés hatása, viszont annál hosszabb lesz a programfutás ideje. Ugyanazt a számítást különböző, 1 és 30 másodperc közötti lépéshosszal elvégezve megintcsak egymáshoz igen közel álló görbéket kaptunk eredményül. Az eredmények tanulmányozása során azt tapasztaltuk, hogy a kiszámított hőmérséklet az időlépés hosszának csökkenésével együtt csökken és hogy az eltérések csak a terhelésgörbe meredeken emelkedő szakaszán jelentősebbek. A 3. ábra ezeket az eltéréseket illusztrálja, a 60. másodperc végén. A kapott eredményeket figyelembe véve kijelenthetjük, hogy egy aránylag hosszú lépéssel is elfogadható eredményeket kapunk és egy 5 s hosszú lépés esetében is az eltérés legtöbb 1 K körül van. Mindkét paraméter esetében az optimális beállításokra valamilyen tetszőlegesen megválasztott értékkel elvégzett számítások (pl. három réteg és öt másodperces lépés) és


63

azok megváltoztatásával (pl. hat réteg, 2.5 másodperces lépés) kapott eredmények egybevetésével következtethetünk: ha nem észlelünk jelentős javulást, akkor az utoljára kapott eredményeket véglegesnek fogadjuk el. Az anyagjellemzők hatását is a paraméterek megváltoztatása által előidézett hőmérséklet-különbségek tükrében tanulmányoztuk. Ezek a jellemzők a következők: a) a festék sűrűsége, amelyet mérések alapján vagy szakirodalmi adatokból könnyen megállapíthatunk; b) a festék lágyuláspontja, amely tulajdonképpen csak a szilárd és folyékony halmazállapotok elkülönítésére szolgál. Mivel mindkét állapotban a festékréteg tulajdonságai csak a hőmérséklettől függenek, ezen lágyuláspont kijelölése, pontos értékének megállapítása a modellezés szempontjából lényegtelen, egyébként az közvetlen megfigyeléssel megoldható; c) a hőmérséklet, amelyen elkezdődik a felhabzás: ezt közvetlen megfigyeléssel állapíthatjuk meg; d) a térfogategységre fajlagosított égéshő: kalorimetriás mérésekkel állapítható meg, vagy ha e méréseket nem tudjuk elvégezni, akkor hasonló anyagok égéshőjét vehetjük kiindulási alapul; e) a hővezető képesség, amelyet a hőmérséklet és az álla pot függvényében kell megállapítanunk. A felhabzást megelőző állapotú festékre és az elszenesedett bevonatra hasonló anyagok hővezető képességét is elfogadhatjuk, azonban a felhabzott festékre ezt csak mérésekkel lehet megállapítani; f) a reakciósebesség (bomlási sebesség) tényezője, mérések alapján, a hőmérséklet függvényeként lehet meghatá rozni; g) az el nem bomlott festék fajhője és az elszenesedett réteg fajhője, amelyeket kalorimetriás mérésekkel lehet megállapítani, de elfogadhatjuk a hasonló anyagok fajhőjét is. A termikus bomlás állapotában levő anyag esetén e fajhő megállapítása nehéznek ígérkezik, a (2) egyenlet felírásával és megoldásával remélhetjük azt.

A kiindulási pontot jelentő alapértékek (a grafikonokon „referencia”) a következők (ezeket szakirodalmi adatok alapján választottuk meg): a festék sűrűsége r = 1020 kg/m3, lágyuláspontja TL = 473.15 K, a hőmér séklet, amelyen elkezdődik a felhabzás TR = 523.15 K, a térfogategységre fajlagosított égéshő qsp = 107 J/m3, az elbomlott festék hővezető képessége l = 0.032 W/(m.K), az el nem bomlott festék fajhője c = 1000 J/(kg.K), az elszenesedett réteg fajhője c = 710 J/(kg.K). Ezeket a mennyiségeket a hőmérséklettől függetlennek tekintettük. Hőmérséklettől függőnek tekintettük a hővezető képességet az el nem bomlott (tehát a még bomlás alatt levő) festék esetében, amelyet a következő koordináták írtunk le:

T = 273.15 K T = 623,15 K T = 798.15 K

l = 0.035 W/(m.K), l = 0.042 W/(m.K), l = 0.013 W/(m.K),

valamint a reakciósebesség tényezőjét amelyet a következő koordinátákkal interpoláljuk:

T = 523.15 K k = 0, T = 773.15 K k = 0.1. A festékréteg vastagsága, tf = 1.34 mm, a diszkretizáláskor a festékbevonat vastagságán létrehozott rétegek száma nr = 5. A terhelést az ISO-834 standardizált görbe jelenti: T = T0 + 345.lg (8.t + 1), ahol T0 = 293.15 K (szobahőmérséklet), a tűzvész időtartama 1 h = 3600 s és az időlépés hossza dt = 5 s. Az összehasonlító számítások során egyszerre csak paraméter értékét változtattuk, azt kétszeresére növeltük, majd felére csökkentettük, a bomláshőt pedig lenulláztuk. A kapott eredményeket a 4. ábra szemlélteti. Észrevehetjük, hogy egyedül a hővezető képességnek van igen lényeges hatása, a többi anyagjellemző tulajdonság értékének meg

4. ábra: Az anyagjellemzők hatása

64


változtatása nem érinti érzékenyen a kiszámított eredményeket. A reakciósebesség megváltozása a teljes elszenesedés bekövetkeztének pillanatát tolja el, e ponttól kezdve a kiszámított hőmérséklet-görbe meredekebben kezd el emelkedni (ugyanis az elszenesedett réteg hővezető képessége nagyobb a habzó festékénél). Mivel ez a pont a ter helésgörbe ellaposodó részére esett, a változás nem túl szembetűnő. Ezen eredmények alapján levonhatjuk azt a következtetést, hogy a festék fajhőjének és bomláshőjének pontos ismerete szükségtelen, ezeket az értékeket bátran megközelíthetjük hasonló anyagok fajhőjével és bomláshőjével, esetleg el is hanyagolhatjuk ezeket az értékeket. Ezt az észrevételt az a tény támasztja alá, hogy a festékbevonat rendszerint igen vékony, tehát a benne felhalmozódó és az ott keletkező hő mennyisége elhanyagolható a vezetéssel átadott hő mennyiségéhez viszonyítva (a bevezetőben említett empirikus képletek is e tagokat rendszerint elha nyagolják). Fontos viszont a hővezető képesség minél pon tosabb megállapítása.

5. A HŐVEZETŐ KÉPESSÉG . KÍSÉRLETI MEGÁLLAPÍTÁSA Az előbbi fejezet végső következtetése az volt, hogy a felhabzó festék egyedüli fontos tulajdonsága a hővezető képessége. A folyékony halmazállapotú, illetve a felhabzó festékre az a hővezető képesség látszólagos, ugyan is belefoglaljuk a konvekciós hőszállítás hatását is. Ez a mennyiség az éppen elbomló festék esetében nemcsak a hőmérséklet függvénye, az a festék állapotától is függ, mivel a gázfejlődés intenzitása egy adott hőmérsékleten az elbomlás előrehaladtával folyamatosan csökken. A hővezető képességet Fourier (1) törvényének alkal mazásával határozhatjuk meg, az 5. ábrán látható berendezéssel. E berendezés elve a „P” próbatest, egy festékkel bevont fémlemez elektromos fűtésén alapszik: amennyiben ismerjük a fűtőáram U feszültségét és I áramerősségét, akkor tudjuk, hogy a felszabaduló Joule-hő teljesítménye P = U . I . Amennyiben a lemez árammal átjárt részének területe A, úgy a festékrétegen áthaladó hő fluxusa átlagosan j = P/(2 . A). A „2” tényező azért jelenik meg, mert a lemeznek két oldala van. Ha valamilyen eljárással (pl. a lemezre szerelt, kívülről hőszigetelt PT100 érzékelőkkel vagy termoelemekkel) megmérjük a lemez TL hőmérsékletét és a festék felszínének TF hőmérsékletét (ugyanolyan szenzorokkal, vagy pontosabban valamilyen érintkezésmentes eljárással, pl. IR hőmérővel vagy termovíziós kamerával), akkor a festékréteg eredeti tf vastagságával meghatározott hőmérsékleti gradiens értéke gradT = (TL–TF)/tf lesz. Az (1) egyenlet szerint a hővezető képesség, amelyet a festék eredeti vastagságának megfele lően definiálunk (ezt azért fontos kijelenteni, mert a felhabzó bevonat vastagsága jelentősen megnő), az előbbi mennyiségekkel l = j / gradT lesz. Mivel a hővezető

5. ábra: A hővezető képesség meghatározása

képesség a hőmérséklet függvénye, meg kell mondanunk azt is, hogy a kiszámított érték milyen hőmérsékleten érvényes: legyen az a festékbevonat vastagságán érvényes átlag. (TL+TF)/2. A leírt eljárást a termikus bomlás állapotában levő festékre is alkalmazhatjuk, ilyenkor azonban egy beállított, kb. állandó hőmérsékleten a méréseket a habzás kezdetétől egészen a befejezéséig ismételgetjük. Ilyenkor l nemcsak a hőmérsékletnek, hanem a még el nem bomlott festék és az eredeti festék mennyiségének (14) hányadosának is függvénye. E hányados számlálójában szereplő mennyi séget a (17) összefüggés adja, ott pedig t a bomlás pillanatától eltelt idő, k pedig a reakciósebesség állandója. Ezt az állandót a festék teljes lebomlásához szükséges tb idővel határozhatjuk meg. Tegyük fel, hogy a habzást akkor látjuk befejezettnek, amikor a festéknek csak 1%-a maradt meg eredeti állapotában – ezt a pillanatot a bevonat megszilárdulásának bekövetkezéséhez köthetjük (pontosabb eredményeket csak bonyolult kémiai elemzésekkel nyerhetnénk). Ekkor, a (17) egyenlet alapján a bomlás sebességének állandója, a felvállalt bizonytalanságok mellett és a beállított átlagos hőmérsékleten

(19)

6. KÖVETKEZTETÉSEK A l (T ,t ,állapot) függvény ismeretében

lehetővé válik a felhabzó festékek kielégítő pontosságú végeselemes mo dellezése, amely a szerkezetek tűzállóságának vizsgálatában sokkal általánosabb lehetőségeket nyújt, mint a hosszú, rúdszerű szerkezeti elemekre javasolt tapasztalati képletek. E módszerrel nemcsak a rudak, hanem az illesztések szilárdsága is tanulmányozhatóvá válik. Az eljárásban igényelt l (T ,t ,állapot) függvény egyszerű kísérletekkel is megállapítható, amelyekben nincs szükség költséges vagy ritka laboratóriumi felszerelésekre.

7. FELHASZNÁLT IRODALOM 1. N ordtest Method, NT FIRE 021, NORDTEST 1985, Den mark. 2. Cagliostro, D.E., Riccitiello, S.R., Clark, K.J., Shimizu, A.B., Intumenscent coating modeling, Journal of Fire and Flammability, Vol. 6 (April 1976), pag. 205-221. 3. Andersen, Niels E., NORDTEST Project Raport (Influence of heating rate and other parameters on thermal conductiv ity of intumescents for fire protection of structural steel), Dantest Report, National Institute for Testing and verification of Denmark, 1988. 4. W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling, B.P. Flannery: Numerical Recipes in Fortran. Cambridge University Press, 1994. 5. J. Noack, R Rolfes, J. Tessemer: New layerwise theories and finite elements for efficient thermal analysis of hybrid structures. Computers and Structures 81 (2003) 2525– 2538, Elsevier, 2003. 6. Bathe, K. J: Finite Element Procedures. Prentice – Hall Inc, USA, 1996. 7. Cook D. R: Finite element modeling for stress analysis. John Wiley & sons, USA, 1995. 8. Cook R., Malkus D., Plesha M. E: Concepts and applications of finite element analysis. John Wiley & sons, USA, 1989.

9. Z ienkiewicz O. C., Taylor R. L: The finite element method. McGraw - Hill Book Co, G. Britain, 1994.


65

Megnövelt termelékenység kompromisszum nélkül Az Interchar® 404-el akár egy órás tűzállóság is elérhető “I” gerendákon, oszlopokon és zártszelvényeken. A kisebb terhelés kevesebb festéket jelent és ez gyorsabb átbocsátó képességet, ami segít időt és pénzt megtakarítani, mialatt ugyanolyan szintű védelmet nyújt. Az Interchar 404 fokozhatja az Ön termelékenységét. Megoldásokat szállítunk Globális tapasztalatunkon keresztül

www.interchar.com www.international-pc.com

Kérjük, hogy további információkért forduljon az International Protective Coatings képviselőjéhez: Bondár Tibor Mobil: +36 (30) 6354 639 E-mail: [email protected]

, International® és minden egyéb említett termék neve az Akzo Nobel bejegyzett védjegye. ©Akzo Nobel 2008

ACÉLSZERKEZETEK TŰZVÉDELME

Recommend Documents