BOLYAI SZEMLE KÜLÖNSZÁM

BOLYAI SZEMLE KÜLÖNSZÁM

DR. HORVÁTH LÁSZLÓ

ACÉLSZERKEZETEK TŰZVÉDELMI TERVEZÉSÉNEK EGYES KÉRDÉSEI — A VISELKEDÉS-ALAPÚ TERVEZÉS ELEMEI ISSUES RELATED TO FIRE SAFETY IN STEEL STRUCTURE DESIGNING — ELEMENTS OF PERFORMANCE-RELATED DESIGN

Az acélszerkezetek tervezésénél a tűzvédelmi szempontok figyelembevétele is igen fontos tényező. A szerkezet különféle hatások általi viselkedésének vizsgálatára, ezek modellezésére több lehetőség is kínálkozik. A teljesítményalapú tervezés során a tényleges viselkedés várható figyelembevételével alakítható ki a terv. Kulcsszavak: acélszerkezet, tervezés, tűzvédelem, teljesítményalapú. When designing steel structures, considering fire safety aspects is an essential factor. There are several ways of examining and modelling their behaviour under various circumstances. Performance-based design takes into account the actual expected behaviour when planning. Keywords: steel structure, designing, fire safety, performance-based

1. Bevezetés A tűzesetek, valamint az építmények tűzhatás alatti viselkedésének tanulmányozására az elmúlt évtizedekben nagyon sok energiát fordítottak. Részletesen elemezték és vizsgálták az épületekben bekövetkezett tűzeseteket, ellenőrzött körülmények között teljes épületeken végeztek tűzkísérleteket. Vizsgálták a tűzfolyamatokat, mérték a tűzszakaszban keletkező gázhőmérsékletek időbeni lefutását. A kísérletek során meghatározták a tartószerkezetek hőmérsékletének alakulását, az egyes szerkezeti elemek alakváltozásait és azok következményeit. Mindezek vetették meg az un. „Performance-based design” alapjait, amit magyarul általában teljesítmény-alapú tervezésnek, vagy pontosabban viselkedés-alapú 29


tervezésnek nevezünk. Az eljárás kifejlesztésén és alkalmazásán számos európai projekt dolgozott az elmúlt években [1], [2], [3]. Az egyes országok tűzvédelmi előírásrendszerei egyre szélesebb körben teszik lehetővé a viselkedés-alapú tűzvédelmi módszerek alkalmazását, amely képes a hagyományos előíró módszerekkel egyenértékű biztonságot garantálni építészetileg igényes, ámde tűzvédelmi szempontból bonyolult létesítmények esetére is, és az OTSZ 5.0 tervezetében is lényegi szerepet kapott.

2. A viselkedés-alapú tervezés alkalmazhatósága A viselkedés-alapú módszerek mind a tűzvédelmi követelmények, mind a tartószerkezetek tűzhatásra mutatott ellenállásának — tűzvédelmi teljesítményének — megállapításához segítséget nyújtanak. A követelmények megállapítása részletes kockázatelemzést igényel, melynek során számos szempontot elemeznek. Többek között figyelembe veszik az épület rendeltetését, kialakítását, működési körülményeit, a védelmi célok prioritásai szerint a kiürítési időt, a tűzoltóktól elvárt teendőket, a létesítményben létrejöhető tűzfolyamatokat és azok valószínűségét, valamint a tartószerkezet vagy annak egyes részei tönkremenetelének valószínűségét és következményeit. Ezt a feladatot részben a tűzvédelmi szabályozás kidolgozóinak, részben pedig az adott létesítmény tűzvédelmi tervezőjének, szakértőjének kell elvégeznie, és részletes elemzése nem tárgya jelen publikációnak. A továbbiakban csak a tartószerkezetek tűzvédelmi teljesítményének tényleges viselkedés alapján történő megállapításával foglalkozunk.

3. A viselkedés-alapú tervezés lépései A viselkedés-alapú tervezés három eleme a tűzfolyamat elemzése, a tűz folyamán a szerkezetet érő hőmérsékleti hatás megállapítása, végső soron a tartószerkezet tűzhatásra adott válaszának meghatározása (1. ábra). A három alkotóelem nem függetleníthető egymástól, kölcsönhatásaikra is tekintettel kell lenni.

30


1. ábra: a viselkedés-alapú tervezés elemei

Az épületet veszélyeztető tűzhatás folyamatát és kifejlődését számos tényező befolyásolja. Csak néhány ezek közül: a tűzszakasz mérete, kialakítása, éghető anyagok mennyisége és elhelyezkedése, nyílások és légáramlási viszonyok, aktív tűzvédelmi eszközök (sprinklerek) stb. A tényleges tüzek viselkedése alapvetően eltér a hagyományos tűzvédelmi tervezésnél használatos ISO tűzhatásgörbétől (2. ábra).

2. ábra: Hőmérséklet alakulása természetes tüzekben és az ISO tűzhatásgörbe [1] 31


A tűzvédelmi tervező és szakértő feladata mindezen hatások elemzése alapján a tűzfolyamat időbeni lefutásának és a tervezéshez használandó mértékadó gázhőmérsékleteknek megállapítása, amelyhez a korszerű számítógépi szoftverek és a tűzmodellezés eszköztára hatékony segítséget nyújt. A mérnöki tervezési módszerek ma normatív segítséget adnak ahhoz, hogyan lehet a gázhőmérséklet ismeretében meghatározni a tartószerkezetek hőmérsékletének alakulását. A tartószerkezeti tervező az Eurocode szabványsorozat megfelelő köteteit [4], [5] használva a meghatározhatja a szerkezeti elemek hőmérsékletét a tűzhatás folyamán. Ennek alapján követhető a szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságainak hőmérséklet-emelkedés miatt beálló megváltozása, ami magával vonja a terhelt szerkezet alakváltozásainak megnövekedését és teherbírásának csökkenését. A tartószerkezet tűzvédelmi teljesítményének megállapításával elvégezhető a tűzvédelmi követelmények teljesülésének ellenőrzése. A tartószerkezetek tűzhatás alatti viselkedését pontosan követő méretezési eljárás figyelembe veszi tehát mindazt, hogy milyen hőmérsékletek alakulnak ki a tűzben, hogyan viselkedik a tartószerkezeti rendszer a magas hőmérsékleten, milyen előnyös hatásokkal járnak az aktív és a passzív tűzvédelmi rendszerek, továbbá az e három szempontban rejlő bizonytalanságokat valamint a tartószerkezet fontosságát - azaz tönkremenetelének következményeit. A mérnöki gyakorlatban ezt ma még nem tudjuk célként kitűzni. Jelenleg csak olyan eljárások alkalmazására van eszköztárunk, amelyben néhány, de nem az összes korábban felsorolt paraméter hatását vesszük figyelembe — például az aktív tűzvédelmi eszközök (automatikus tűzoltó berendezések, sprinklerek) hatását csak a tűzfolyamat elemzése során vesszük tekintetbe — és ennek alapján mutatjuk ki, hogy a tartószerkezet vagy annak elemei egy tűzeset esetén megfelelő ellenállást tanúsítanak-e.

4. Acélszerkezetek viselkedése tűzhatásra és a viselkedés-alapú méretezés A tartószerkezet tűz hatására bekövetkező viselkedésének elemzésére számítógépi szimulációs programok alkalmasak. A szerkezet térbeli modelljét kell felépíteni, gondosan ügyelve a megtámasztások és a ter32


hek megfelelő interpretálására. A fajlagos nyúlások tűzhatás esetén az alábbi összetevőkből állnak (3. ábra): εt = εth + εr + εc + εσ ahol εt a teljes nyúlás εσ a teherből bekövetkező nyúlás εth a hőmérsékletváltozásból bekövetkező nyúlás εc a kúszásból bekövetkező nyúlás – ha van εr a maradó feszültség okozta nyúlás

3. ábra: Fajlagos nyúlások a tűzhatás alatti keresztmetszetben [6]

Tűzhatás esetén a hőmérséklet a szerkezeti elemben az idő függvényében folyamatosan változik. Másrészt az anyag mechanikai tulajdonságai is változnak a hőmérséklettel, azaz időben folyamatosan változó mechanikai tulajdonságokkal kell dolgoznunk. Acél esetében a rugalmassági modulus és a folyáshatár változását kinematikai anyagmodell alkalmazásával lehet követni (4. ábra), kis időlépésekkel és lépésenként másmás feszültség-nyúlás görbére való áttéréssel.

4. ábra: Kinematikai anyagmodell [6]

33


A szerkezet alakját minden pillanatban a rá ható külső terhek és a belső erők egyensúlya alapján határozzuk meg. A hőmérséklet növekedése során az anyag rugalmassága csökken, a hőtágulás és a terhek együttesen rohamosan növekvő alakváltozásokat eredményeznek. A számítás nemlineáris rugalmas-képlékeny analízist igényel, amelyet kis időlépésekben, állandó hőmérséklet mellett step-by-step iteratív módszerrel lehet megoldani (5. ábra).

5. ábra: Iteratív számítás kis lépésekben [6]

Kéthajós csarnokszerkezet tűzhatás alatti viselkedésének szimulációját mutatja be a 6. ábra.

6. ábra: Kéthajós acélcsarnok viselkedése tűzhatásra [6]

A tűzhatás térbeli tartószerkezeti modelleken való elemzése számos érdekes és továbbgondolást igénylő eredménnyel járt. 34


Az acél anyag a hőmérséklet emelkedésére alakváltozással — hőtágulással — reagál, ami tűzhatás esetén jelentős mértéket érhet el. A hagyományos ISO tűzhatásgörbe azt feltételezi, hogy a tűzszakaszban mindenütt azonos hőmérséklet alakul ki. Különösen nagyobb alapterületű tűzszakaszoknál — például egyszintes csarnoképületeknél, ahol egy tűzszakasz hossza akár az 50-60 métert is elérheti — ez a feltételezés olyan hatalmas mértékű hőtágulást eredményez, amely a tényleges tűzeseteknél sosem volt mérhető. Ezért a szerkezeti viselkedés pontos elemzéséhez és szimulációjához nagyon fontos, hogy a tűzhatás is kellő pontossággal kerüljön számításba vételre. A legpontosabb lehetőség ma a tűzmodellezés eredményeképpen megállapított hőmérséklet-eloszlás használata. Az ISO tűzhatásgörbe térbeli globális analízis esetén rendkívül konzervatív, a hőmérsékleti hatások következményeit jelentősen túlbecsülő eredményekhez vezet. Az acél tartószerkezetek tervezésére és méretezésére a statikus mérnökök ma korszerű 3D-s számítógépi programokat használnak. A tűzhatásra való méretezés előírásait az Eurocode 3 szabvány erre vonatkozó kötete tartalmazza, ennek alkalmazásával a tartószerkezet-tervező megállapíthatja a szerkezet viselkedését és ellenállását a tűzhatás esetére is. A tartószerkezet állékonyságához a szerkezeti elemek mellett azok csomópontjainak megfelelő ellenállására is szükség van. A végeselemes modellezés segítségével lehetőség nyílik a szerkezeti csomópontok tűzhatás alatti viselkedésének követésére. A csomópontok viselkedését is széleskörű kísérletsorozattal vizsgálták, és megállapították, hogy a csomópontban mérhető elemhőmérsékletek alacsonyabbak, mint a közeli gerendák illetve oszlopok hőmérséklete. A csomóponton belül is eltérően melegednek fel az egyes alkotóelemek, lemezek, csavarok. A tűz hatására létrejövő csomóponti hőmérséklet-eloszlás meghatározása – az úgynevezett termikus analízis – a végeselemes számítások első lépése. A 7. ábrán látható egy tipikus acélszerkezeti oszlop-gerenda csomópont, csavarozott homloklemezes kialakításban – mellette végeselemes modellje. A szerkezeti csomópontot tűzkísérletben vizsgálták, a gázhőmérsékletet az ISO tűzhatásgörbe szerint növelték. A csomópont kiválasztott helyein mérték a szerkezeti elemek hőmérsékletét.

35


7. ábra: Homloklemezes acélszerkezeti csomópont és VEM modellje [7]

A végeselemes számítás során analízis nemlineáris tranziens analízis alapján számítottuk ki a csomópont hőmérséklet-eloszlását az idő függvényében, amelyet 30 perces tűzhatás esetére a 8. ábra szemléltet.

8. ábra: Hőmérsékletek a csomópontban 30 perces tűzhatásra [6]

A számított és a kísérletek során mért hőmérsékleteket a 9. ábrán hasonlítjuk össze. A végesemelemes modellel pontosabban meghatározhatóak a csomóponton belüli hőmérsékletek, mint az Eurocode által javasolt közelítő számítással.

36


9. ábra: A gerenda és az alsó csavarsor hőmérsékletei [6]

10. ábra: Csomópont tönkremenetele tűzhatásra [7]

Az emelkedő hőmérséklet hatására megváltoznak az acél anyag mechanikai tulajdonságai. A végeselemes szerkezeti analízis alapján meghatározható a csomópont „szerkezeti válasza” a tűzhatásra: az alakváltozások megnőnek, a teherbírás csökken. A 7. ábrán bemutatotthoz hasonló csomópont tönkremenetelének VEM analízisét mutatja be a 10. ábra, a kísérletben tapasztalt tönkremenetellel (lásd a fotón) megegyező a számítás eredménye. 37


5. Összefoglalás A performance-based design, azaz a teljesítmény-alapú tervezés alkalmazásával a tartószerkezetek tűzhatás alatti tényleges viselkedése alapján végezhetjük el a tartószerkezetek tűzvédelmi tervezését. A tűzvédelmi tervező és statikus tervező szoros együttműködésével megvalósítható tervezési folyamat minden lépését ma már korszerű számítógépi programok segítik. Mind a tűzhatás szimuláción alapuló elemzését, mind a tartószerkezet hőmérsékletének és teherbírásának számítását kellő pontossággal elvégezhetjük, ezzel biztosítva a kellő biztonságot. A tartószerkezetek analízisében a csomópontok viselkedését a termikus és a szerkezeti analízist összekapcsoló komplex végeselemes modellek jól alkalmazhatóak.

38


Felhasznált irodalom [1] “NATURAL FIRE SAFETY CONCEPT - VALORISATION PROJECT”; (CEC Agreement 7215-PA/PB/PC – 042; -057; 2001) [2] “Fire Safety Of Industrial Hall And Low Rise Building”; (CEC Agreement 7210-PR-378); 2007 [3] “Fire Safety Of Industrial Hall And Low Rise Building- valorization project”; RFCS; 2010 [4] MSZ EN 1991-1-2:2005 Eurocode 1: A tartószerkezeteket érő hatások 1-2. rész: Általános hatások. A tűznek kitett szerkezeteket érő hatások. [5] MSZ EN 1993-1-2:2005 Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése 1-2. rész: Általános szabályok – Tervezés tűzterhelésre. [6] B. ZHAO: Mechanikai viselkedés; DIFISEK Project, WP 3 Syllabus (www.difisek.eu). [7] Erdélyi A,: Acélszerkezetek csomópontjainak méretezése tűzhatásra. Diplomaterv, Konzulens: Dr. Horváth L. BME Hidak és Szerkezetek Tanszék, 2012, [8] Petrás P,: Acél homloklemezes kapcsolat viselkedése tűzhatásra. Diplomaterv, Konzulens: Dr. Vígh L. G.. BME Hidak és Szerkezetek Tanszék, 2013.

39


40

BOLYAI SZEMLE KÜLÖNSZÁM

Recommend Documents