Ocelové konstrukce požární návrh

Ocelové konstrukce – požární návrh František Wald Zdeněk Sokol Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT v Praze, 17.2.2005

1

Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT v Praze

2

Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod

Přestup tepla

Mechanické vlastnosti

Výpočetní modely

Shrnutí


Úvod

Grafy – zjednodušené modely Jednoduché inženýrské modely Metoda konečných prvků

Návrh požární odolnosti konstrukce

Evropské normy

Teplotní analýza požárního úseku

ČSN EN 1991-1-2: 2004

Přestup a vedení tepla v konstrukci ČSN EN 1993-1-2: 2004

Návrh konstrukce za zvýšených teplot

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí

3


4

Prezentace na CD nosiči V jazyce HTML (.mth) špatný odkaz ze stránky „Přednášky“. Lze na CD nalézt v knihovně „Prednasky_v_HTM“. Ve formátu Microsof Power Point (.pps) je přímo přístupná. Ve formátu Adobe Acrobat (.pdf) je přímo přístupná.

Lekce ve formátu PP Výukový videofilm

VÝPOČET POŽÁRNÍ ODOLNOSTI KONSTRUKCÍ PODLE EVROPSKÝCH NOREM

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


5


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


6

Metoda konečných prvků Přírůstková metoda Přímý výpočet

Požárně nechráněné prvky Teplota, °C Teplota plynů v požárním úseku vypočítaná parametrickou teplotní křivkou

1000

800 IPE 360 A m /V = 360 m -1 Nominální normová teplotní křivka

600

Teplota nosníku vypočítaná z nominální normové teplotní křivky

400

Teplota nosníku přibližným přímým výpočtem vypočítaná z nominální normové teplotní křivky

200

Teplota nosníku vypočítaná z parametrické teplotní křivky

0 0

Úvod

A t = 360 m 2 A f = 100 m 2 b = 1500 J/m 2s1/2 K q f,d = 600 MJ/m 2 O = 0,07 m 1/2

15

Přestup tepla

30

45


60

75

Výpočetní modely

Čas, min

Shrnutí


7

Přírůstková metoda Přírůstek tepla v časovém úseku - nárůst teploty prvku h& A ∆t = ρ c V ∆θ net

m

a

a

a

h&net čistý tepelný tok na plochu Am plocha povrchu prvku, ρa hustota oceli, ca měrné teplo oceli V objem prvku na jednotku délky V normě (EN 1993-1-2: 2004) ve tvaru Am / V ∆θ a , t = k sh h net , d ∆t ca ρa součinitel průřezu (povrch / objem) Am/V součinitel zastínění ksh = 0,9 (Am/V)b/(Am/V) Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


8

Součinitel průřezu Am/V Čas, t, min Součinitel průřezu nad 350 nemá praktický

A m / V = 10 m -1

význam

Vliv nelineární změny měrného tepla

75

15 20 25 30 40 60

60 45 30

100 150 200 250 Nominální normová teplotní křivka

15 0 0

Úvod

100

200

Přestup tepla

300

400

500

600


700

800 Teplota, θ a,t ,°C

Výpočetní modely

Shrnutí


9

Porovnání s experimentem v Cardingtonu Teplota nosníku, °C Předpovězeno z parametrické tepl. křivky

1200

D2

E2

1000

Nosník 800

Dolní pásnice

Požární úsek

Změřeno

600

D1

400 200

S E1

Předpovězeno ze změřené teploty plynu Čas, min

0 0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

Změřeno 1088 °C v 57 min; Vypočteno 1067 °C v 54 min Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


10


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


11

Požárně chráněné prvky MKP Přírůstková metoda Přímý výpočet

Teplota, °C IPE 360

1000

Ap / V součinitel průřezu 800 pro prvky 600 s ochranným materiálem

Ochranný materiál d p = 0,01 m l p =0,078 W m-1 K -1 c p = 1200 J kg -1 K -1 Přibližný přímý výpočet

Nominální normová teplotní křivka Zpoždění odpařením vody 100 °C

400

Teplota nosníku přírůstkovou metodou

200

Vliv vlhkosti v ochranném materiálu 0 0

Úvod

Přestup tepla

15

30


45

60

Výpočetní modely

75

Čas, min

Shrnutí


12

Vliv součinitele průřezu Ap/V a tep. izol. λp/dp Teplota, °C 5000 4500 4000 3500 3000

800 700 600 500

Nominální normová teplotní křivka

2500 2000 1500 1000 800

600 400

400

300 200 Součinitel požárně chráněného průřezu

300

100 Ap λp

200 100

φ=

0 0

30

60

cp ρp ca ρ a 90

dp

Ap V

=0 120

V

dp

150

-1

WK m

-3

Čas, min

V grafu zanedbána tepelná jímavost požárně ochranného materiálu

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


13

Porovnání s experimentem v Cardingtonu E2

D2

Teplota, °C

N E1

D1

1 000

Teplota plynu změřeno

800

600

D2 Vnitřní sloup změřeno

400

Vnitřní sloup výpočet

200

0 0

Úvod

15

30

45

60

Přestup tepla

75

90

105

120


135

150

Čas, min

Výpočetní modely

Shrnutí


14


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


15

Požárně odolné oceli Žáropevné oceli Žáruvzdorné (opaluvzdorné) oceli 600 °C až 1200 °C

Požárně odolné oceli Zjemněním krystalické struktury (snížením obsahu síry) Přísadou molybdenu a niobu

Použito EXPO 2000 Hannover - Kristův pavilón Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


16

Odolnější při 600 °C Redukční součinitel

1 0,9 0,8

k FRS275N,θ (požárně odolná ocel)

k E,FRS275N, θ

0,7 k E, q (uhlíková ocel)

0,6

k y, θ (uhlíková ocel)

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Úvod

Teplota,°C 0

200

Přestup tepla

400

600

800


1000

Výpočetní modely

1200

Shrnutí


17

Nerezové oceli Redukční součinitel, k ij, θ

1

k y,θ (uhlíková ocel)

0,9 0,8 0,7

k E,1.4, θ

0,6

k p,14301, θ

0,5 0,4

k u,14301,q

0,3

k u,14303, θ

(austenitické oceli)

0,2

Teplota

k p,14303, θ

0,1

θa ,°C

0 0

Úvod

200

Přestup tepla

400

600


800

1000

Výpočetní modely

1200

Shrnutí


18

Litina Redukční součinitel, k ij, θ

1 0,9 0,8 0,7

Uhlíková ocel

0,6 0,5

k y,θ

0,4 0,3

k ci, θ

0,2

Litina Teplota θa ,°C

0,1 0

Úvod

0

200

Přestup tepla

400

600

800


1000

Výpočetní modely

1200

Shrnutí


19


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


20

Výpočetní modely Kritická teplota Stupeň využití průřezu, µ0

Napětí, MPa Únosnost prvku (styčníku)

1 0,8

Odezva zatížení při mimořádné situaci

Zhroucení

Rezerva únosnosti

0,6 0,4 0,2

Kritická teplota Teplota, °C

Úvod

Přestup tepla

0

0


200

400

600

Kritická teplota

Výpočetní modely

Teplota, °C

Shrnutí


21

Kritická teplota θ a ,cr

⎛ ⎞ 1 = 39,19 ln ⎜⎜ − 1⎟⎟ + 482 3 ,833 ⎝ 0,9674 µ 0 ⎠ ⎡

⎤ 1 1 − ⎥ + 606 7 ,124 ⎣ 0,9999 µ0 ⎦

θ a ,cr ,FRS 275N = 15,81 ln ⎢ Stupeň využití průřezu µ0

E fi ,d µ0 = Rfi ,d ,0

Účinek zatížení při požární situaci

Únosnost při požární situaci při normální teplotě Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


22


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


23

Návrh sloupu za požáru Nerovnoměrné zahřívání θg θg

θa θg

UC 203x203x52 , S 275

0,1 ⋅ θa

Rovnoměrné zahřívání průřezu tlačeného prvku

Nerovnoměrné zahřívání průřezu tlačeného prvku

0,2 ⋅ θa

θg

θa

λ = 40; F c,d = 514 kN λ = 150; F c,d = 550 kN

θg

λ = 40; F c,d = 615 kN λ = 150; F c,d = 198 kN

θa

Ohřev konstrukce

δ

Teplotní deformace sloupu Úvod

Přestup tepla

Teplotní deformace nosníku Mechanické vlastnosti

Excentricita účinků zatížení Výpočetní modely

Shrnutí


24

Redukce vzpěrných délek za požáru ℓfi lfi,4 = 0,7 L 4

L4 L3

lfi,2 = 0,5 L 2

l fi,1 = 0,7 L 1

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

L2 L1

Shrnutí


25

Návrh sloupu za požáru Omezit štíhlost na 150 Většinou nutno požárně chránit Rovnoměrně izolovat Nové poznatky Součinitel vzpěrnosti za požáru χ fi dříve přibližně χ 20°C / 1,2 Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


26

Součinitel vzpěrnosti za požáru Součinitel vzpěrnosti, χ

Pokojová teplota χ α = 0,21; křivka a; 20°C α = 0,49; křivka b; 20°C α = 0,65; křivka c; 20°C α = 0,76; křivka d; 20°C

1,0

0,8

0,6

Zvýšená teplota α = 0,65; 300°C 400°C χfi 500°C 600°C 700°C 800°C

0,4

0,2

0,0

0,0

Úvod

0,5 Přestup tepla

1,0 Mechanické vlastnosti

1,5

Poměrná štíhlost, λ

Výpočetní modely

Shrnutí


27

Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Tlačený prvek Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí

MKP a experimenty Analyticky a experimenty Kritická teplota


Průřezy třídy 4 Kritická teplota, θa,cr ,°C

800

Prvky s průřezy třídy 1, 2 a 3

700 Tažené prvky za studena tvarované

600 500 400

Nosníky s průřezy třídy 4 Sloupy s průřezy třídy 4

300 200 100 Stupeň využití

0 0 Úvod

0,1

0,2

0,3

Přestup tepla

0,4

0,5

0,6

0,7


0,8

0,9

1

Výpočetní modely

µ0 Shrnutí

28


29


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


30

Teplota přípojů Koncentrace hmoty Chladnější oblast Předpověď teploty ze součinitele průřezu z teploty dolní pásnice

Ocelobetonová/betonová deska a < 400 mm 0,62

hh

Přestup tepla

0,70

0,75

h

Úvod

a > 400 mm


0,88

0,88

0,88 Teploty dolní pásnice ve středu nosníku Výpočetní modely

Shrnutí


31

Porovnání s experimentem v Cardingtonu Předpovězeno z teploty plynu

Teplota plechu přípoje, °C

podle součinitele průřezu

1000

Předpovězeno z teploty dolní pásnice

D2

E2

D1

E1

800 600 Změřeno

400 200 0 0

Úvod

15

30

45

Přestup tepla

60

75

90

105


120

135 Čas, min.

Výpočetní modely

Shrnutí


32

Únosnost spojovacích prostředků Redukční součinitel, k ij, θ

1 0,9 0,8 0,7

k y, θ uhlíková ocel

k w, θ svary

0,6 0,5 0,4

k b, θ šrouby

0,3 0,2

Teplota

0,1 0

Úvod

θa ,°C 0

200

Přestup tepla

400

600


800

1000

Výpočetní modely

1200

Shrnutí


33

Metoda komponent za zvýšené teploty Moment, M ,kN e f

gi

c d

φ

M z

h

e fgi

50

700ºC 800ºC

cdh

Přestup tepla

20 ºC

600ºC 0

Úvod

200ºC 500ºC


0

20

40

Výpočetní modely

Natočení,φ ,mrad

Shrnutí


34

Příklad návrhu požárně odolného přípoje Millennium Tower, Vídeň

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


Úvod

Přestup tepla


35

Výpočetní modely

Shrnutí


36

Realizace

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


37


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


38

Řešené příklady 4.4

Příklady výpočtů 4.4.1 Nosník, návrh pomocí grafu 4.4.2 Nosník, ověření z hlediska času 4.4.3 Nosník z oceli FR30, ověření z hlediska únosnosti 4.4.4 Nosník, ověření z hlediska teploty 4.4.5 Nosník, parametrická teplotní křivka 4.4.6 Nosník se ztrátou stability 4.4.7 Sloup patrové budovy 4.4.8 Přípoj nosníku ke sloupu 4.4.9 Spoj pásu vazníku Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

str. 218 220 223 224 225 228 231 235 237 Shrnutí


39

Nosník, parametrická teplotní křivka Návrh za pokojové teploty Posouzení za pokojové teploty

q g IPE 270

Posouzení za požáru Redukční součinitel zatížení Ohybový moment při požáru Klasifikace průřezu za zvýšené teploty Parametrická teplotní křivka Přestup tepla do konstrukce Posouzení (z hlediska únosnosti R90) Úvod

Přestup tepla


L = 6,2 m

Výpočetní modely

Shrnutí


40

Parametrická teplotní křivka (Příklad 1.5.2 na str.74) Teplota plynů v požárním úseku θg,t ve fázi rozvoje požáru se určí ze vztahu * * * θ g ,t = 20 + 1325 1 − 0,324 e −0 ,2 t − 0,204 e −1,7 t − 0,472 e −19 t

(

)

kde náhradní čas plného rozvinutí požáru t* se stanoví z času tmax dosazeného v hod t* = Γ t = 1,346 ⋅ t * = Γ tmax = 1,346 ⋅ 0,25 = 0 ,3365 tmax a ve fázi chladnutí, pro požár řízený palivem x = 1, θ g ,t = θ max − 625 t* − t*max x pro t *max ≤ 0,5

(

)

Nejvyšší teplota plynů nastane v čase tmax a je rovna θ g ,t = 20 + 1325 (1 − 0,324 e −0 ,2⋅0 ,3365 − 0,204 e −1,7⋅0 ,3365 − 0,472 e −19⋅0 ,3365 ) = 790 °C

Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


41

Výpočet teploty požárně chráněného ocelového průřezu Tabulkovým procesorem

Úvod

0 0,01121 0,02243 0,03364 0,04485 0,05607 0,06728

°C 20,0 146,1 249,0 333,3 402,4 459,2 506,2

48:30 49:00 49:30 50:00 50:30 51:00 51:30

1,08767 1,09890 1,11011 1,12133 1,13254 1,14375 1,15497

320,5 313,4 306,4 299,4 292,4 285,4 278,4

89:00 89:30 90:00 90:30 91:00

1,99596 2,00717 2,01839 2,02960 2,04081

1047,9 1048,7 1049,5 1050,4 1051,2

Přestup tepla

t* h

θg

Čas min 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00


ca J kg-1°C-1 440 440 440 440 440 442 444

ø

∆θa,t °C

θa,t

0,113 0,113 0,113 0,113 0,112 0,112

0,0 0,0 1,0 2,0 2,8 3,4

°C 20,0 20,0 20,0 21,0 23,0 25,7 29,1

569 569 569 569 569 569 569

0,087 0,087 0,087 0,087 0,087 0,087 0,087

0,2 0,1 0,1 0,0 0,0 -0,1 -0,1

311,7 311,8 311,9 311,9 311,9 311,8 311,7

818 822 826 830 834

0,061 0,060 0,060 0,060 0,059

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

654,7 656,7 658,7 660,6 662,6

Výpočetní modely

Shrnutí


42

Teplota, °C Teplota v požárním úseku

600

400

Teplota nosníku IPE 270 chráněného zpěnitelným nátěrem

θ a = 311,9 °C

200

Nejvyšší teplota nosníku t = 50 min

0

0

10

20

30

40

50

60

70

Čas, min

Momentová únosnost pro odpovídající redukční součinitel účinné meze kluzu ky,θ = 1,0 M fi ,θ ,Rd = Wpl ,Rd k y ,θ

fy γM , fi

= 484 ⋅ 103 ⋅ 1,000 ⋅

275 = 133,1 kNm 1,0

Únosnost se ještě zvětší vlivem zakrytí nosníku ocelobetonovou deskou; κ1 = 0,7, κ2 = 1,0; M 133,1 = 190,1 kNm > 50,7 kNm = Mfi,Sd M fi ,t ,Rd = fi ,θ ,Rd = κ1 κ 2 0,7 ⋅ 1,0 Navržený průřez IPE 270 vyhovuje. Úvod

Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


43


Přestup tepla


Výpočetní modely

Shrnutí


44

Shrnutí návrhu na grafu ECCS Kritická teplota 250

100

60

Součinitel pož. nechráněného průřezu 40

30

25

20

2000

15

10

200 150

1500 1200 1000

700

Součinitel nerovnoměrného rozdělení teploty

900 800

600

700

0,7. 0,85

0,7

600

500

0,85

500

1,0

400

400

300 250

300

200 150

200

100

Součinitel pož. chráněného průřezu

100

Stupeň využití průřezu 0,8

Úvod

0,7

Čas, min.

0 0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

Přestup tepla

0,1

0

15

30

45


60

75

90

Výpočetní modely

105

120

Shrnutí

Děkuji za pozornost

Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT v Praze, 17.2.2005

45

Ocelové konstrukce požární návrh

Recommend Documents