10.1 Úvod Návrhové hodnoty vlastností materiálu. 10 Dřevo a jeho chování při požáru. Petr Kuklík

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________

10

Dřevo a jeho chování při požáru

10.1 Úvod Obecná představa o chování dřeva při požáru bývá často zkreslená. Dřevo lze zapálit, může vyživovat oheň a dále ho šířit pomocí prchavých plynů, vznikajících při vysoké teplotě. Proces zuhelnatění dřeva je ale dobře předvídatelný a šíření plamene lze omezit impregnací nebo povrchovou úpravou. U průřezů s nejmenším rozměrem 35 mm povrch dřeva vystavený požáru zuhelnatí a odhořívá stálou rychlostí. Uvnitř průřezu zůstávají mechanické vlastnosti dřeva bez podstatných změn a požární odolnost konstrukčního prvku lze určit na základě zbytkového průřezu. Přitom platí, že velké průřezy z lepeného lamelového dřeva se při požáru chovají příznivě, zatímco menší průřezy, např. prvky příhradových vazníků, je třeba přiměřeně chránit. Chování prvků ze dřeva a materiálů na bázi dřeva při požáru lze podrobněji popsat následovně. Odlišuje se chování při rozhořívání a při plně rozvinutém požáru. Při rozhořívání se uplatní hořlavost materiálu, stupeň jeho zápalnosti, rychlost šíření ohně/plamene na jeho povrchu a míra předávání tepla. Plně rozvinutý požár představuje fázi po vzplanutí, kdy jsou všechny hořlavé materiály zachváceny ohněm. Požadavky na materiály během této fáze jsou zaměřeny na jejich schopnost zachovat si své mechanické vlastnosti a omezovat oheň na oblast jeho vzniku, aby nedocházelo k šíření ohně nebo kouře a působení příliš vysokých teplot na straně odvrácené ohni, které by mohly vést k nepřímému přenosu požáru na sousední části konstrukce. Schopnost odolávat plnému požáru je obecně označována jako požární odolnost. Tato schopnost může být přiřazena konstrukčnímu prvku a nikoliv pouze materiálu. Požaduje-li se u konstrukcí požární odolnost z hlediska stavební mechaniky, musí být konstrukce navrženy a provedeny takovým způsobem, aby si zachovaly svou nosnou funkci během příslušného požárního namáhání, tj. musí být splněno kritérium únosnosti R. Požadavky na přetvoření se uplatňují pouze tam, kde technické podmínky pro požárně dělicí prvky nebo pro ochranné prostředky vyžadují uvážit přetvoření nosné konstrukce. Při rozdělení objektu dřevěnou konstrukcí na požární úseky musí být odpovídající prvky navrženy a provedeny takovým způsobem, aby si zachovaly svou požárně dělicí funkci během příslušného požárního namáhání: a) Nesmí dojít k porušení celistvosti následkem trhlin, děr nebo jiných otvorů, dostatečně velkých na to, aby způsobily pronikání požáru prostřednictvím horkých plynů nebo plamenů (kritérium celistvosti E). B) Nesmí dojít k porušení izolace následkem teplot ohni nevystaveného povrchu, přesahujících přípustné meze (kritérium tepelné izolace Ι). c) Přípustný vzestup průměrných teplot ohni nevystaveného povrchu je omezen na 140 K a maximální vzestup teploty v kterémkoliv bodě je omezen na 180 K. Prvky musí vyhovovat kritériím R, E a Ι. Rozlišují se prvky s funkcí pouze požárně dělicí (splňující E a Ι), pouze nosnou (splňující R) a požárně dělicí a nosnou (splňující R, E a Ι).

10.2 Návrhové hodnoty vlastností materiálu Pro ověření mechanické odolnosti prvků vystavených účinkům požáru se návrhové hodnoty pevnostních a tuhostních vlastností určí ze vztahů: f f d,fi = k mod,fi 20 γ M,fi (10.1) S 20 S d,f i = k mod,fi γ M,fi (10.2) kde fd,fi je návrhová pevnost při požáru, Sd,fi je návrhová tuhostní vlastnost (modul pružnosti Ed,fi nebo modul pružnosti ve smyku Gd,fi) při požáru, f20 je 20% kvantil pevnostní vlastnosti při běžné

Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

-1-

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ teplotě, S20 je 20% kvantil tuhostní vlastnosti (modul pružnosti nebo modul pružnosti ve smyku) při běžné teplotě, kmod,fi je modifikační součinitel pro požár, γM,fi je dílčí součinitel spolehlivosti při požáru. Modifikační součinitel pro požár kmod,fi zohledňuje redukci pevnostních a tuhostních vlastností při zvýšených teplotách a nahrazuje modifikační součinitel pro navrhování při běžné teplotě kmod. Doporučený dílčí součinitel spolehlivosti vlastnosti materiálu při požáru je γM,fi = 1,0. 20% kvantil pevnostní nebo tuhostní vlastnosti se určí takto: f 20 = kfi f k (10.3) S20 = kfi S05 (10.4) kde f20 je 20% kvantil pevnostní vlastnosti při běžné teplotě, S20 je 20% kvantil tuhostní vlastnosti (modul pružnosti nebo modul pružnosti ve smyku) při běžné teplotě, S05 je 5% kvantil tuhostní vlastnosti (modul pružnosti nebo modul pružnosti ve smyku) při běžné teplotě, kfi je uveden v tab. 10.1. Tab. 10.1 Hodnoty kfi Rostlé dřevo Lepené lamelové dřevo Desky na bázi dřeva LVL Spoje se spojovacími prostředky ve střihu s bočními prvky ze dřeva a desek na bázi dřeva Spoje se spojovacími prostředky ve střihu s bočními prvky z oceli Spoje s osově zatíženými spojovacími prostředky

kfi 1,25 1,15 1,15 1,1 1,15 1,05 1,05

10.3 Návrhové hodnoty účinku zatížení Účinek zatížení se určí pro čas t=0 při použití kombinačních součinitelů ψ1,1 nebo ψ2,1 podle EN 1991-1-2:2002, článek 4.3.1. Zjednodušeně může být účinek zatížení Ed,fi stanoven z analýzy pro běžnou teplotu takto: Ed,fi = ηfi Ed (10.5) kde Ed je návrhový účinek zatížení při navrhování na běžnou teplotu pro základní kombinaci zatížení, viz EN 1990; ηfi je redukční součinitel pro návrhové zatížení při požární situaci. Redukční součinitel ηfi pro kombinaci zatížení (6.10) v EN 1990:2002 se má uvažovat takto: Gk +ψ fi Qk,1 (10.6) ηfi = γ G Gk + γ Q,1 Qk,1 nebo, pro kombinace zatížení (6.10a) a (6.10b) v EN 1990:2002, jako nejmenší hodnota získaná z následujících dvou vztahů: Gk +ψ fi Qk,1 (10.7a) ηfi = γ G Gk + γ Q,1 Qk,1

ηfi =

Gk +ψ fi Qk,1

ξ γ G Gk + γ Q,1 Qk,1

(10.7b)

kde Qk,1 je charakteristická hodnota hlavního proměnného zatížení, Gk je charakteristická hodnota stálého zatížení, γG je dílčí součinitel pro stálá zatížení, γQ,1 je dílčí součinitel pro proměnné zatížení 1, ψfi je součinitel pro časté hodnoty proměnných zatížení při požární situaci, dané buď ψ1,1 nebo ψ2,1 - viz EN 1991-1-2:2002, ξ je redukční součinitel nepříznivých stálých zatížení G.


-2-

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ Příklad průběhu redukčního součinitele ηfi v závislosti na poměru zatížení Qk,1/Gk pro různé hodnoty součinitele kombinace ψfi podle vztahu (10.6) je zobrazen na obr. 10.1 s následujícími předpoklady: γGA = 1,0, γG = 1,35 a γQ = 1,5. Dílčí součinitele jsou uvedeny v příslušných národních přílohách EN 1990:2002. Vztahy (10.7a) a (10.7b) dávají trochu vyšší hodnoty.

Obr. 10.1 Příklady redukčního součinitele ηfi v závislosti na poměru zatížení Qk,1/Gk podle vztahu (10.6) Jako zjednodušení je doporučena hodnota η f i = 0,6 mimo užitná zatížení kategorie E, uvedená v EN 1991-1-2:2002 (prostory citlivé na hromadění zboží včetně přístupových prostor), kde je doporučena hodnota ηfi = 0,7. Okrajové podmínky v podpěrách mohou být uvažovány neměnné v čase.

10.4 Hloubky zuhelnatění Odolnost prvků ze dřeva a materiálů na bázi dřeva proti účinkům požáru charakterizují především jejich hloubky zuhelnatění. Hloubka zuhelnatění je vzdálenost mezi vnějším povrchem původního prvku a polohou čáry zuhelnatění a určuje se z doby vystavení účinkům požáru a příslušné rychlosti zuhelnatění. K zuhelnatění prvků ze dřeva a desek na bázi dřeva dochází především v případě, že jsou přímo vystaveny požáru. Posouzení průřezů na účinky požáru má vycházet z aktuální hloubky jejich zuhelnatění včetně zaoblení rohů. Alternativně může být stanoven nominální průřez bez zaoblení rohů, založený na nominální hloubce zuhelnatění. Poloha čáry zuhelnatění odpovídá poloze izoterm 300 °C. Tento p ředpoklad platí pro většinu dřeva jehličnatých a listnatých dřevin. Rychlosti zuhelnatění jsou běžně rozdílné pro: povrchy nechráněné během doby vystavení účinkům požáru; povrchy chráněné u kterých k zuhelnatění dochází ještě před porušením pláště požární ochrany; povrchy chráněné, které jsou vystaveny účinkům požáru až po porušení pláště požární ochrany.


-3-

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ Pravidla uvedená v následujícím textu platí pro normové vystavení účinkům požáru, dané nominální normovou teplotní křivkou závislosti teplota – čas při požáru, která odpovídá zejména celulózovému typu požárního zatížení (hoří dřevo, papír a látky) . Proces hoření dřeva vypadá následovně. Při hoření dřeva a materiálů na bázi dřeva probíhá chemický rozklad, při němž se vytváří dřevěné uhlí a hořlavé plyny. K samovznícení tenkého proužku dřeva dochází při teplotě mezi 340 až 430 °C. Zápalná teplota m ůže být i výrazně nižší (např. 150 °C), byl-li d řevěný prvek již delší dobu ohříván. Teploty menší než 100 °C, ale vyšší než pokojová teplota, přivádějí do dřeva teplo a urychlují jeho vysoušení. Při 100 °C se voda ve d řevu začíná odpařovat a pára uniká cestou nejmenšího odporu, tj. v rozích, hranami, spoji, otevřenými póry a trhlinami. V těchto místech dřevo vysychá rychleji. Teplota zůstává konstantní až do doby než se voda odpaří. V rozmezí 150 až 200 °C se tvo ří povrchové plyny (asi 70 % nehořlavého CO2 a 30 % hořlavého CO). Do 275 °C probíhá tepelný rozklad d řeva (pyrolýza) poměrně pomalu a výhřevnost plynů -3 přitom je jen asi 5 024 kJ m hmoty. Teprve při zvýšení teploty nad 275 °C nastávají již siln ě exotermické reakce a stoupá rychle teplota tvorbou lehko zápalné směsi uhlovodíků o výhřevnosti -3 8 374 kJ m i více. Nejvíce hořlavé směsi vzniká při teplotách mezi 400 až 420 °C a její výh řevnost -3 se zvyšuje až na 18 840 kJ m . Při teplotách nad 500 °C se tvo ření plynů opět snižuje. Po prvém vznícení a hoření zápalné směsi plynů však hoření pokračuje dále, podporováno vyvíjejícím se teplem, které rozkládá i hlubší vrstvy dřeva na spalitelné produkty. Na druhé straně se na povrchu vytváří vrstva nespáleného uhlíku, který je špatným vodičem tepla a zamezuje přístupu tepla k vnitřním nerozloženým vrstvám, tím znemožňuje přívod dalších spalitelných plynů na povrch, a v tomto stádiu může u rozměrnějších průřezů prvků oheň i ustat, nedojde-li k popraskání a oprýskání této vrstvy. Tepelná vodivost zuhelnatělé vrstvy (dřevěného uhlí) je pouze asi jedna šestina tepelné vodivosti rostlého dřeva. Vrstva dřevěného uhlí působí jako izolační vrstva a rozklad dřeva pod ní probíhá zpomaleně. Z tohoto důvodu a vzhledem k nízké tepelné vodivosti dřeva zůstává teplota uprostřed průřezu mnohem nižší než na povrchu. Požární odolnost dřevěných konstrukcí je proto podstatně vyšší, než se všeobecně předpokládá.

10.4.1 Povrchy nechráněné Rozlišují se dvě hodnoty rychlosti zuhelnatění: jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění; nominální návrhová rychlost zuhelnatění. Jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění platí pro jednorozměrné zuhelnatění, viz obr. 10.2, a uvažuje se konstantní v čase.

Obr. 10.2 Jednorozměrné zuhelnatění širokého průřezu (vystaveného účinkům požáru z jedné strany) Návrhová hloubka zuhelnatění pro jednorozměrné zuhelnatění se určí takto: dchar,0 = β0 t (10.8) kde dchar,0 je návrhová hloubka zuhelnatění pro jednorozměrné zuhelnatění, β0 je jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění, t je doba vystavení účinkům požáru. Nominální návrhová rychlost zuhelnatění, jejíž hodnota již zahrnuje účinek zaoblení rohů, viz obr. 10.3, se též uvažuje konstantní v čase.


-4-

Petr Kuklík


Obr. 10.3 Hloubka zuhelnatění dchar,0 pro jednorozměrné zuhelnatění a nominální hloubka zuhelnatění dchar,n Nominální návrhová hloubka zuhelnatění se určí takto: (10.9) dchar,n = βn t kde dchar,n je nominální návrhová hloubka zuhelnatění, která zahrnuje účinek zaoblení rohů, βn je nominální návrhová rychlost zuhelnatění, která zahrnuje účinek zaoblení rohů. Jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění se používá za předpokladu, že je uváženo zvětšené zuhelnatění blízko rohů a jedná se o průřezy s původní minimální šířkou bmin, kde bmin = 2 dchar ,0 + 80 pro dchar ,0 ≥ 13 mm (10.10a)

bmin = 8,15 dchar ,0

pro d char ,0 < 13 mm

(10.10b)

Když nejmenší šířka průřezu je menší než bmin, používá se nominální návrhová rychlost zuhelnatění. Pro průřezy počítané s použitím jednorozměrných návrhových rychlostí zuhelnatění, se poloměr zaoblení rohů uvažuje roven hloubce zuhelnatění dchar,0. Pro povrchy dřeva nechráněné po dobu vystavení účinkům požáru jsou návrhové rychlosti zuhelnatění β0 a βn uvedeny v tab. 10.2. Návrhové rychlosti zuhelnatění pro rostlé dřevo listnatých dřevin, vyjma buku, s charakteristickými 3 hodnotami hustoty mezi 290 a 450 kg/m , se mohou stanovit lineární interpolací mezi hodnotami z tab. 10.2. Rychlosti zuhelnatění buku se berou tak, jak jsou dány pro rostlé dřevo jehličnatých dřevin. Tab. 10.2 Návrhové rychlosti zuhelnatění

β0

βn

mm/min

mm/min

a) Dřevo jehličnatých dřevin a buk 3 0,65 Lepené lamelové dřevo s charakteristickou hustotou ≥ 290 kg/m 3 0,65 Rostlé dřevo s charakteristickou hustotou ≥ 290 kg/m b) Dřevo listnatých dřevin Rostlé nebo lepené lamelové dřevo listnatých dřevin s charakteristickou 0,65 3 hustotou 290 kg/m Rostlé nebo lepené lamelové dřevo listnatých dřevin s charakteristickou 0,50 3 hustotou ≥ 450 kg/m c) LVL 3 0,65 s charakteristickou hustotou ≥ 480 kg/m d) Desky a Dřevěné obložení 0,9 a Překližka 1,0 a Desky na bázi dřeva jiné než překližka 0,9 a 3 Hodnoty platí pro charakteristickou hustotou 450 kg/m a tloušťku desky 20 mm.


0,7 0,8 0,7 0,55

0,7 – – –

-5-

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ Pro návrhové rychlosti zuhelnatění desek na bázi dřeva a dřevěného obložení platí hodnoty 3 uvedené v tab.10.2. Hodnoty platí pro charakteristickou hustotu desky 450 kg/m a tloušťku desky 20 mm. Pro ostatní charakteristické hustoty desek ρk a tloušťky desek hp menší než 20 mm se rychlost zuhelnatění určí takto: β0,ρ,t = β0 kρ kh (10.11) s

kρ = kρ =

450

(10.12)

ρk 20 hp

(10.13) 3

kde ρk je charakteristická hustota desky v kg/m , hp je tloušťka desky v milimetrech.

10.4.2 Povrchy zpočátku chráněné U povrchů chráněných pláštěm požární ochrany, jinými ochrannými materiály nebo jinými konstrukčními prvky, viz obr. 10.4, je třeba uvážit, že: počátek zuhelnatění je posunut až do času tch; zuhelnatění může začít před porušením požární ochrany, ale nižší rychlostí než rychlostmi zuhelnatění uvedenými v tab. 10.2 až do času porušení požární ochrany tf; po čase porušení požární ochrany tf, rychlost zuhelnatění je zvýšena nad hodnoty uvedené v tab. 10.2 až do času ta popsaného dále; v čase ta, když se hloubka zuhelnatění rovná buď hloubce zuhelnatění stejného prvku bez požární ochrany nebo 25 mm, podle toho co je menší, se rychlost zuhelnatění vrací k hodnotě uvedené v tab. 10.2. Ochrana zajištěná dalšími konstrukčními prvky může být omezená s ohledem na: poškození nebo kolaps ochranného prvku; nadměrnou deformaci ochranného prvku. Má se též uvážit účinek nevyplněných mezer větších než 2 mm ve spojích a obložení na počátek zuhelnatění a, jestliže je to namístě, na rychlost zuhelnatění před porušením ochrany.

a) b) Obr. 10.4 Příklady protipožárního obložení: a) nosníků, b) sloupů Legenda: 1 nosník, 2 sloup, 3 záklop, 4 obložení


-6-

Petr Kuklík


Obr. 10.5 Vývoj hloubky zuhelnatění v čase, když tch = tf a když hloubka zuhelnatění v čase ta je nejméně 25 mm 1 Průběh rychlosti zuhelnatění βn (nebo β0) pro prvky nechráněné během doby vystavení účinkům požáru; 2 Průběh pro zpočátku chráněné prvky po porušení požární ochrany: 2a Po odpadnutí požární ochrany, zuhelnatění začíná ve zvýšené míře; 2b Po dosažení hloubky zuhelnatění 25 mm se rychlost zuhelnatění redukuje na úroveň danou v tab.10.2.

Obr. 10.6 Vývoj hloubky zuhelnatění v čase, když tch = tf a když hloubka zuhelnatění v čase ta je menší než 25 mm 1 Průběh pro prvky nechráněné během doby vystavení účinkům požáru pro rychlost zuhelnatění uvedenou v tab.10.2; 3 Průběh pro zpočátku chráněné prvky s dobami porušení požární ochrany tf a s časovým limitem ta menším než je uvedeno v podmínce (10.15b)


-7-

Petr Kuklík


Obr. 10.7 Vývoj hloubky zuhelnatění v čase, když tch < tf 1 Průběh rychlosti zuhelnatění βn (nebo β0) pro prvky nechráněné během doby vystavení účinkům požáru; 2 Průběh pro zpočátku chráněné prvky kde zuhelnatění začíná před porušením ochrany: 2a Zuhelnatění začíná v tch v redukované míře, když ochrana je stále na místě; 2b Po odpadnutí ochrany zuhelnatění začíná ve zvýšené míře; 2c Po dosažení hloubky zuhelnatění 25 mm se rychlost zuhelnatění redukuje na úroveň danou v tab. 10.2.

10.4.2.1

Rychlosti zuhelnatění

Pro tch ≤ t ≤ tf se rychlosti zuhelnatění dřevěných prvků uvedené v tab. 10.2 přenásobí součinitelem k2. V případě kdy je dřevěný prvek chráněn jedinou vrstvou sádrokartonové desky typu F, se k2 určí takto: k2 = 1 – 0,018 hp (10.14) kde hp je tloušťka vrstvy v milimetrech. Jestliže se obložení skládá z několika vrstev sádrokartonové desky typu F, za hp se bere tloušťka vnitřní vrstvy. Jestliže je dřevěný prvek chráněn vlnou z minerálních vláken s minimální tloušťkou 20 mm a 3 minimální hustotou 26 kg/m , která zůstane celistvá, až do 1 000 ˚C, je možno k2 brát z tab. 10.2. Pro tloušťky mezi 20 a 45 mm se může použít lineární interpolace. Tab. 10.3 Hodnoty k2 pro dřevo chráněné vlnou z minerálních vláken Tloušťka hins [mm] 20 ≥ 45

k2 1 0,6

Pro období po porušení ochrany dané tf ≤ t ≤ ta, se rychlosti zuhelnatění v tab. 10.2 přenásobí součinitelem k3 = 2. Pro t ≥ ta se rychlosti zuhelnatění v tab. 10.2 použijí bez přenásobení součinitelem k3. Časové omezení ta, viz obr. 10.5 a obr. 10.6, se pro tch = tf uvažuje jako min hodnota ze vztahu (10.15a) a (10.15b): ta = 2 tf (10.15a)


-8-

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ ta =

25

+ tf k3 β n nebo pro tch < tf (viz obr. 10.7) ta =

(

)

25 − t f − tch k2 β n k3 β n

+ tf

(10.15b)

(10.16)

kde βn je předpokládaná návrhová rychlost zuhelnatění, v mm/min. Podmínky (10.15a), (10.15b) a (10.16) platí také pro jednorozměrné zuhelnatění, když βn je nahrazeno β0. Výpočet tf je popsán dále. Podmínka (10.15b) v sobě zahrnuje skutečnost, že vrstva zuhelnatění 25 mm představuje dostatečnou ochranu, aby byla rychlost zuhelnatění redukována na hodnoty v tab. 10.2.

10.4.2.2

Počátek zuhelnatění

Pro pláště požární ochrany skládající se z jedné nebo několika vrstev desek na bázi dřeva nebo dřevěného obložení se čas počátku zuhelnatění tch chráněného dřevěného prvku určuje takto: hp tch = (10.17)

β0

kde hp je tloušťka desky, v případě několika vrstev celková tloušťka vrstev; tch čas počátku zuhelnatění. Pro pláště tvořené jednou vrstvou sádrokartonové desky typu A, F nebo H podle EN 520, ve vnitřních částech nebo na obvodě sousedícím s vyplněnými spoji, nebo nevyplněnými dutinami o šířce 2 mm nebo méně, se čas počátku zuhelnatění tch uvažuje takto: tch = 2,8 hp – 14 (10.18) kde hp je tloušťka desky v mm. V místech sousedících se spoji s nevyplněnými dutinami s šířkou větší než 2 mm, se čas počátku zuhelnatění tch určí takto: tch = 2,8 hp – 23 (10.19) kde hp je tloušťka desky v mm. Sádrokartonová deska typu E, D, R a I podle EN 520 má stejné nebo lepší tepelné a mechanické vlastnosti než typu A a H. Pro pláště tvořené dvěma vrstvami sádrokartonové desky typu A nebo H se čas počátku zuhelnatění tch určí podle vztahu (10.18), kde tloušťka hp se bere jako tloušťka vnější vrstvy a 50 % tloušťky vnitřní vrstvy, předpokládaje, že rozteč spojovacích prostředků ve vnitřní vrstvě není větší než rozteč spojovacích prostředků ve vnější vrstvě. Pro pláště tvořené dvěma vrstvami sádrokartonové desky typu F se čas počátku zuhelnatění tch určí podle vztahu (10.18), kde tloušťka hp se bere jako tloušťka vnější vrstvy a 80 % tloušťky vnitřní vrstvy, předpokládaje, že rozteč spojovacích prostředků ve vnitřní vrstvě není větší než rozteč spojovacích prostředků ve vnější vrstvě. Pro nosníky nebo sloupy chráněné vlnou z minerálních vláken se čas počátku zuhelnatění tch určí takto: tch = 0,07(hins – 20) ρins (10.20) kde tch je čas počátku zuhelnatění v minutách; hins tloušťka izolačního materiálu v mm; ρins hustota 3 izolačního materiálu v kg/m .

10.4.2.3

Časy do porušení plášťů požární ochrany

Porucha plášťů požární ochrany může nastat z důvodu: zuhelnatění nebo mechanické degradace materiálu pláště; nedostatečné délky průniku spojovacích prostředků do nezuhelnatělého dřeva;


-9-

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ -

neúměrných roztečí a vzdáleností spojovacích prostředků.

Pro pláště požární ochrany z dřevěného obložení a desek na bázi dřeva připevněných k nosníkům nebo sloupům, se čas do porušení určí následovně tf = tch (10.21) kde tch se stanoví podle vztahu (10.17). Pro sádrokartonovou desku typu A a H se čas do porušení tf uvažuje takto: tf = tch (10.22) kde tch se stanoví podle vztahu (10.18) a hp se stanoví podle shora uvedených zásad. Všeobecně je poškození způsobené mechanickou degradací závislé na teplotě a rozměru desek a jejich orientaci. Normálně je svislá poloha příznivější než vodorovná. Délka průniku l a spojovacích prostředků do nezuhelnatělého dřeva má být nejméně 10 mm. Požadovaná délka spojovacího prostředku l f,req se stanoví takto:

l f,req = hp + dchar,0 + l a

(10.23)

kde hp je tloušťka desky; dchar,0 hloubka zuhelnatění dřevěného prvku; l a minimální délka průniku spojovacího prostředku do nezuhelnatělého dřeva. Zvětšené zuhelnatění blízko rohů je přitom třeba vzít v úvahu.

10.5 Metoda redukovaného průřezu Účinný průřez se má vypočítat pomocí redukce počátečního průřezu o účinnou hloubku zuhelnatění def (viz obr. 10.8): (10.24)

d ef = d char,n + k 0 d 0 s d0 = 7 mm, dchar,n se určuje podle vztahu (10.9), k0 je vysvětlen v následujícím textu.

Předpokládá se, že materiál v blízkosti čáry zuhelnatění ve vrstvě tloušťky k0 d0 má nulovou pevnost a tuhost, zatímco vlastnosti pevnosti a tuhosti zbytkového průřezu se uvažují nezměněné.

Obr. 10.8 Definice zbytkového průřezu a účinného průřezu 1 Počáteční povrch prvku, 2 Okraj zbytkového průřezu, 3 Okraj účinného průřezu Pro nechráněné povrchy se má k0 určit z tab. 10.4.


- 10 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ Tab. 10.4 Určení k0 pro nechráněné povrchy s t v minutách (viz obr. 10.9a) k0 t < 20 minut

t/20

t ≥ 20 minut

1,0

Pro chráněné povrchy s tch > 20 minut, se má předpokládat, že se k0 mění lineárně od 0 do 1 během časového intervalu od t = 0 do t = tch - viz obr. 10.9b. Pro chráněné povrchy s tch ≤ 20 minut platí tab. 10.4.

Obr. 10.9 Průběh k0: a) pro nechráněné prvky a chráněné prvky, kde tch ≤ 20 minut b) pro chráněné prvky, kde tch > 20 minut Pro dřevěné povrchy lemující prázdnou dutinu ve stropní nebo stěnové sestavě (normálně široké strany sloupku nebo stropnice) platí následující: Kde se protipožární obvodový plášť skládá z jedné nebo dvou vrstev sádrokartonové desky typu A, desky ze dřeva nebo desek na bázi dřeva, má se k0, v čase porušení obvodového pláště tf, uvažovat 0,3. Potom se má předpokládat, že se zvyšuje lineárně na jednotku během následujících 15 minut. Kde se protipožární obvodový plášť skládá z jedné nebo dvou vrstev sádrokartonové desky typu F, má se k0, v čase začátku zuhelnatění tch, uvažovat rovné 1,0. Pro časy t < tch se má použít lineární interpolace - viz obr. 10.9b. Návrhové pevnostní a tuhostní vlastnosti účinného průřezu se mají počítat s kmod,fi = 1,0.

10.6 Metoda redukovaných vlastností Pro obdélníkové průřezy ze dřeva jehličnatých dřevin, vystavené požáru ze třech nebo čtyřech stran, a kruhové průřezy, vystavené požáru podél jejich celého obvodu, platí následující pravidla. Zbytkový průřez se má určovat podle 10.3. Pro t ≥ 20 minut se má modifikační součinitel pro požár kmod,fi uvažovat následovně (viz obr. 10.10): pro pevnost v ohybu: 1 p kmod,fi = 1, 0 − 200 Ar (10.25) pro pevnost v tlaku: 1 p kmod,fi = 1, 0 − 125 Ar

-


(10.26)

- 11 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ pro pevnost v tahu a modul pružnosti: 1 p kmod,fi = 1, 0 − 330 Ar

-

(10.27) 2 kde p je obvod zbytkového průřezu vystaveného požáru v m, Ar je plocha zbytkového průřezu v m . Pro nechráněné a chráněné prvky, se má pro čas t = 0 uvažovat modifikační součinitel pro požár kmod,fi = 1. Pro nechráněné prvky, se může pro 0 ≤ t ≤ 20 minut určovat modifikační součinitel lineární interpolací.

Obr. 10.10 Zobrazení vztahů (10.25) – (10.27) 1 Pevnost v tahu, modul pružnosti, 2 Pevnost v ohybu, 3 Pevnost v tlaku


- 12 -

Petr Kuklík


10.7 Příklady Příklad 10.1

Návrh nosníku na účinky požáru

Návrh prostě podepřeného nosníku na požární odolnost R60. Rozpětí nosníku je 5,0 m a je zatížen návrhovým zatížením gd + qd = 6,5 kN/m. Poměr rozhodujícího proměnného zatížení (sněhu) a součtu stálých zatížení Qk,1/Gk = 1,0. Příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna bedněním. Nosník je ze smrkového dřeva třídy S13 a je zabudován ve třídě provozu 1.

Návrh na běžnou teplotu Ohybový moment

Md =

( gd + qd ) l 2 8

=

6,5 ⋅ 52 = 20,31 kNm 8

Návrhová pevnost v ohybu

f m,d = kmod

f m,k

γM

= 0,9

22 = 15, 2 MPa 1,3

Navržený průřez 180/220 mm.

Posouzení normálového napětí za ohybu

σ m,d ≤ kcrit f m,d kcrit = 1, 0 (příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna)

σ m,d =

M d 6 ⋅ 20,31 ⋅106 = = 14, 0 MPa < 15,2 MPa W 180 ⋅ 2202 Nosník na ohyb při běžné teplotě vyhoví.

Návrh na účinky požáru Ohybový moment

ξ = Qk,1 / Gk = 1, 0 ηfi = (1, 0 + ψ 1,1 ξ ) / (γ G + γ Q,1 ξ ) = (1, 0 + 0, 2 ⋅ 1, 0 ) / (1,35 + 1,5 ⋅ 1, 0 ) = 0, 42 < 0,65 M d,fi = ηfi M d = 0, 42 ⋅ 20.31 = 8,53 kNm

1) Metoda redukovaného průřezu

kmod,fi = 1, 0 kfi = 1, 25

γ M,fi = 1, 0


- 13 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) d 0 = 7 mm k0 = 1,0 (povrch nosníku není chráněn) Účinná hloubka zuhelnatění

d ef = β n t + k0 d0 = 0,8 ⋅ 60 + 1, 0 ⋅ 7 = 55 mm

Průřezový modul (nosník je vystaven požáru ze tří stran)

bfi = b − 2 def = 180 − 2 ⋅ 55 = 70 mm hfi = h − d ef = 220 − 55 = 165 mm Wfi =

bfi ⋅ hf2i 70 ⋅ 1652 3 = = 318 ⋅ 103 mm 6 6


f m,d,fi = kmod,fi kfi

f m,k

γ M,fi

= 1, 0 ⋅ 1, 25

22 = 27,5 MPa 1, 0


σ m,d,fi ≤ kcrit f m,d,fi kcrit = 1, 0 (příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna)

σ m,d,fi =

M d,fi Wfi

=

8,53 ⋅ 106 318 ⋅ 103

= 26,8 MPa < 27,5 MPa Nosník na ohyb pro R60 vyhoví.

2) Metoda redukovaných vlastností

kfi = 1, 25

γ M,fi = 1, 0 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) Hloubka zuhelnatění

d char = β n t = 0,8 ⋅ 60 = 48 mm

Průřezový modul (nosník je vystaven požáru ze tří stran)

br = b − 2 dchar = 180 − 2 ⋅ 48 = 84 mm


- 14 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ hr = h − dchar = 220 − 48 = 172 mm Wr =

br hr2 84 ⋅ 1722 3 = = 414 ⋅ 103 mm 6 6


Ar = br hr = 0, 084 ⋅ 0,172 = 1, 4 ⋅ 10−2 m p = br + 2 hr = 0, 084 + 2 ⋅ 0,172 = 42,8 ⋅ 10−2 m kmod,fi = 1, 0 −

1 p 1 42,8 ⋅ 10−2 = 1, 0 − = 0,85 200 Ar 200 1, 4 ⋅ 10−2

f m,d,fi = kmod,fi kfi

f m,k

γ M,fi

= 0,85 ⋅ 1, 25

22 = 23, 4 MPa 1, 0


σ m,d,fi ≤ kcrit f m,d,fi kcrit = 1, 0 (příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna)

σ m,d,fi =

M d,fi Wr

=

8,53 ⋅ 106 414 ⋅ 103

= 20, 6 MPa < 23,4 MPa Nosník na ohyb pro R60 vyhoví.


- 15 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ Příklad 10.2

Návrh sloupu na účinky požáru

Navrhněte kloubově uložený sloup na požární odolnost R30. Délka sloupu je 3,0 m a je zatížen osovou silou Nd = 33 kN. Poměr rozhodujícího proměnného zatížení (užitného) a součtu stálých zatížení Qk,1/Gk = 2,0. Sloup je ze smrkového dřeva třídy S13 a zabudován je ve třídě provozu 1. Proti účinkům požáru je sloup chráněn OSB deskami, jejichž tloušťka je 20 mm a 3

hustota 550 kg/m .

Návrh na běžnou teplotu Návrhová pevnost v tlaku

f c,0,k

f c,0,d = kmod

γM

= 0,8

20 = 12,3 MPa 1,3

Navržený průřez 100/100 mm (příčinek OSB desek do únosnosti sloupu není započítán)

Štíhlostní poměry

λ=

l ef 3 000 = = 103,8 i 0, 289 ⋅ 100

σ c,crit = π 2 λrel =

E0,05

λ

f c,0,k

σ c,crit

= 3,142

2

6 700 103,82

= 6,1

20 = 1,8 6,1

=

Součinitel vzpěrnosti 2  k = 0,5 1 + β c ( λrel − 0,3) + λrel = 0,5 1 + 0, 2 (1,8 − 0,3) + 1,82  = 2, 27    

kc =

1 k+ k − 2

2 λrel

=

1 2, 27 + 2, 272 − 1,82

= 0, 27

Posouzení sloupu na vzpěr

Nd ≤ 1, 0 kc A f c,0,d 33 ⋅ 103 0, 27 ⋅ 104 ⋅ 12,3

= 0,99 < 1,0 Sloup na vzpěr při běžné teplotě vyhoví.

Návrh na účinky požáru

ξ = Qk,1 / Gk = 2, 0


- 16 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ ηfi = (1, 0 + ψ 1,1 ξ ) / (γ G + γ Q,1 ξ ) = (1, 0 + 0,5 ⋅ 2, 0 ) / (1,35 + 1,5 ⋅ 2, 0 ) = 0, 46 < 0,60 N d,fi = ηfi N d = 0, 46 ⋅ 33 = 15, 2 kN Doba do porušení pláště požární ochrany (OSB desky, h p = 20 mm, β0,450,20 = 0,9 mm/min)

450

kρ =

ρk

=

450 = 0,9 550

kh = 1, 0

β0,ρ,t = β 0,450,20 kρ kh β0,550,20 = 0, 9 ⋅ 0,9 ⋅ 1, 0 = 0,81 mm/min tch = tch =

hp

β 0,550,20 20 = 24,5 min 0,81

tf = tch

1) Metoda redukovaného průřezu

kmod,fi = 1, 0 kfi = 1, 25

γ M,fi = 1, 0 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) d 0 = 7 mm tfi,req − tch = 30 − 24,5 = 5,5 min k0 =

tfi,req − tf 20

=

30 − 24,5 = 0,3 20

Účinná hloubka zuhelnatění

d ef = 2 β n t + k0 d 0 = 2 ⋅ 0,8 ⋅ 5, 5 + 0, 3 ⋅ 7 = 11 mm


bfi = b − 2 def = 100 − 2 ⋅ 11 = 78 mm

λ=

l ef 3 000 = = 133 i 0, 289 ⋅ 78


- 17 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ σ c,crit = π 2 λrel =

E0,05

λ

f c,0,k

σ c,crit

2

= 3,142

6 700 1332

= 3, 7

20 = 2,3 3, 7

=

Součinitel vzpěrnosti 2  k = 0,5 1 + β c ( λrel − 0,3) + λrel = 0,5 1 + 0, 2 ( 2,3 − 0,3) + 2,32  = 3,3    

kc =

1

k+ k − 2

2 λrel

=

1 3,3 + 3,32 − 2,32

= 0,17

Návrhová pevnost v tlaku

f c,0,d,fi = kmod kfi

f c,0,k

γ M , fi

= 1, 0 ⋅ 1, 25 ⋅

20 = 25 MPa 1, 0


Afi = bfi2 = 782 = 6 ⋅ 103 mm N d,fi kc Afi f c,0,d,fi

2

≤ 1, 0

15, 2 ⋅ 103 0,17 ⋅ 6 ⋅ 103 ⋅ 25

= 0, 6 < 1,0 Sloup na vzpěr pro R30 vyhoví.

2) Metoda redukovaných vlastností

kfi = 1, 25

γ M,fi = 1, 0 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) Hloubka zuhelnatění

d char = 2 β n t = 2 ⋅ 0,8 ⋅ 5, 5 = 9 mm


br = b − 2 d char = 100 − 2 ⋅ 9 = 82 mm


- 18 -

Petr Kuklík

Dřevo a jeho chování při požáru _______________________________________________________________________ λ=

l ef 3 000 = = 127 i 0, 289 ⋅ 82

σ c,crit = π 2

λrel =

f c,0,k

σ c,crit

E0,05

λ

2

= 3,142

6 700 127 2

= 4,1 MPa

20 = 2, 2 4,1

=

Součinitel vzpěrnosti 2  k = 0,5 1 + β c ( λrel − 0,3) + λrel = 0,5 1 + 0, 2 ( 2, 2 − 0,3) + 2, 22  = 3,1    

kc =

1

k+ k − 2

2 λrel

=

1 3,1 + 3,12 − 2, 22

= 0,19

Návrhová pevnost v tlaku

Ar = br2 = 0, 0822 = 67 ⋅ 10−2 m

2

p = 4 br = 4 ⋅ 0, 082 = 32,8 ⋅ 10−2 m kmod,fi,20 = 1, 0 −

1 p 1 32,8 ⋅ 10−2 = 1, 0 − = 0, 6 125 Ar 125 67 ⋅ 10−4

kmod,fi,5 = 0,9 f c,0,d,fi = kmod,fi ⋅ kfi

f c,0,k

γ M,fi

= 0,9 ⋅ 1, 25

20 = 22,5 MPa 1, 0


N d,fi kc Ar f c,0,d,fi

≤ 1, 0

15, 2 ⋅ 103 0,19 ⋅ 6, 7 ⋅ 103 ⋅ 22,5

= 0,53 < 1,0 Sloup na vzpěr pro R30 vyhoví.

Literatura [1] Kuklík, P.: “Timber Structures 10“, ČVUT Praha, 1995, ISBN 80-01-02639-6 [2] ČSN EN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí - Část 1-2: Obecná pravidla - Navrhování konstrukcí na účinky požáru


- 19 -

10.1 Úvod Návrhové hodnoty vlastností materiálu. 10 Dřevo a jeho chování při požáru. Petr Kuklík

Recommend Documents