Seminář RIB. Úvod do požární odolnosti

Seminář RIB Požární odolnost vetknutých sloupů podle Zónové metody Seminář pro pozemní stavitelství, 25/26.6. 2008 Praha/Bratislava

Úvod do požární odolnosti Ing. Pavel Marek ČVUT v Praze, Fakulta stavební

■ ■ ■ ■ ■

1

Základy požární legislativy Požárně bezpečnostní řešení staveb Zatížení požárem podle EN 1991-1-2 Stupeň požární bezpečnosti podle ČSN 73 08XX Požární odolnost železobetonových konstrukcí podle EN 1992-1-2

© RIB stavební software s.r.o. 2008

www.rib.cz

Požární statistika Nejčastější příčiny požárů: ■ lidská nedbalost a neopatrnost (např. otevřený oheň, kouření, svařování) ■ technické závady ■ komíny, topidla

Smrtelná zranění jsou způsobena v 95 % jedovatým kouřem 2


www.rib.cz

Fáze požáru

3


www.rib.cz

Požární legislativa něco z dávné historie 14. století – vznik nejstaršího požární řádu v Praze, postupný rozvoj do dalších měst a panství 1755 Marie Terezie: Řád hašení ohně pro města, městečka a vesnice platný pro Prahu a český venkov 1785 František Josef II: vytvoření podrobných řádů 1821 Praha, první hasičská záloha – Staroměstská radnice 1867 právo shormažďovací –> vznik sborů dobrovolných hasičů 1876 předpis požární policie – za zajištění požární ochrany odpovídá starosta novodobá historie 1953 Zákon o státním požárním dozoru a požární ochraně – první požární předpisy pro projektování budov 1977 Vytvořen požární kodex, zahrnující soubor norem, který byl reprezentován především ČSN 73 0810: Požární bezpečnost staveb, Společná ustanovení 4


www.rib.cz

Požární legislativa – ČSN 73 08XX Požární kodex tvoří 5 skupin norem soustředěných pod ČSN 73 08XX:

■ Pro projektování požární bezpečnosti staveb ČSN 73 0802 – Požární bezpečnost staveb. Nevýrobní objekty ČSN 73 0804 – Požární bezpečnost staveb. Výrobní objekt ČSN 73 0810 – Požární bezpečnost staveb. Společná ustanovení …. ■ Hodnocení stavebních konstrukcí a hmot ČSN 73 0821 – Požární bezpečnost staveb. Požární odolnost stavebních konstrukcí (revize 5/2007) …. ■ Evropské zkušební normy pro stanovení reakce stavebních výrobků na oheň

■ Evropské zkušební normy pro stanovení požární odolnosti stavebních konstrukcí a výrobků

ČSN EN 1365-1 až 4 Zkoušení požární odolnosti nosných prvků: Část 1 – Stěny, Část 2 – Stropy a střechy, Část 3 – Nosníky, Část 1 – Sloupy …. ■ Klasifikační Evropské normy ČSN EN 13501-1 – Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb: Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň …. 5


www.rib.cz

Požární legislativa – Eurokódy Většina Eurokódů týkající se požární ochrany byla z ENV na EN převedena v roce 2002. Postupně byly překládány a schváleny na ČSN EN. ENV resp. EN znamenaly velký pokrok na straně spolehlivosti požární ochrany. Požární odolnost lze ověřit na základě výpočtu pomocí tabulkových, zjednodušených a obecných metod, které byly sestaveny na základě výpočetních analýz sofistikovaných programů a četných experimentálních zkoušek. Výsledkem je nastavení konstantní úrovně spolehlivosti souboru Evropských norem.

ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí – Zatížení konstrukcí při požáru ČSN EN 1992-1-2: Navrhování betonových konstrukcí – Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí – Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1994-1-2: Navrhování ocelobetonových konstrukcí – Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1995-1-2: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1996-1-2: Navrhování zděných konstrukcí – Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1999-1-2: Navrhování hliníkových konstrukcí – Navrhování konstrukcí na účinky požáru

6


www.rib.cz

Požární bezpečnost staveb Požární bezpečnost staveb se sleduje: - na úrovni územního plánování - při projektování a provádění stavby - během užívání stavby (např vyhláška č.246/2001 o požární prevenci) a souvisí se zákonem o požární ochraně č 133/1985 Sb. pro které definuje preventivní opatření k

a) zabránění vzniku požáru b) zamezení rozšíření požáru c) zabezpečení evakuace osob a materiálu d) zajištění rychlého hasebného zásahu

7


www.rib.cz

Kriteria pro návrh požární odolnosti Třídy rizika

■ Ekonomické riziko požáru riziko = vstupní pravděpodobnost x výška škod ohodnocení podle tříd rizika

vstupní pravděpodobnost četně (5) příležitostně (4)

■ Požární scénaře ohodnocení různých variant požárů

■ Zajištění bezpečnosti objektu požadavky na konstrukci a zařízení stavby

zřídka (3) nepravděpodobně (2) prakticky nemožně (1) výše škody

nepatrná malá střední velká katastrofická (1) (2) (3) (4) (5)

■ Jednotlivé zájmy ochrany život a zdraví lidí a zvířat

nepřijatelné

ochrana věcí a životního prostředí

nežádoucí riziko

bezpečnost požárníků

přijatelné

pojistitelnost ochrana zboží a výrobních prostředků

8


www.rib.cz

Vlivy na požární odolnost ■ Členění stavby - rozměry a počet podlaží - nosné a nenosné konstrukční části - požární odolnost zdí, stropů, dveří, střech, atd. - tepelné vlastnosti stavebního dílce

■ Požární bezpečnost stavby - zásobení vodou na hašení - detektory požáru a alarmové systémy

■ Vybavení budovy - velikost požárního zatížení a doba trvání požáru - oblast působení požáru a rozšíření požáru

■ Okolní vlivy - vítr působící na konstrukci a pohyb vzduchu v interiéru

9


www.rib.cz

Vliv teploty na fyzikální vlastnosti oceli a betonu Beton: 100°C

odpařování volné a částečně fyzikálně vázané vody zvýšení fc, snížení Ec

100-400°C

pevnost betonu v tlaku se příliš neliší od původní hodnoty

400-500°C

v závislosti na použitém cementu uvolňování chemicky vázané vody (dehydratace hydroxidu vápenatého)

snížení fc, snížení Ec

<500°C

krátkodobé působení teploty pevnost významně neovlivňuje

1600°C

tavení betonu

významný vliv kameniva: hutné kamenivo - křemičité lehké kamenivo – čediče, škvára, struska, expandované jíly, pemza, vápencové štěrky

Ocel: >100°C součinitel teplotní roztažnosti αt betonu a oceli se významně odlišuje vznik napětí, ztráta soudržnosti, odprýskání krytí a boulení výztuže rozdíly tepl. roztažnosti možno redukovat volbou lehkého kameniva 10


www.rib.cz

Vliv teploty na fyzikální vlastnosti oceli a betonu Beton: 100°C

odpařování volné a částečně fyzikálně vázané vody zvýšení fc, snížení Ec

100-400°C

pevnost betonu v tlaku se příliš neliší od původní hodnoty

400-500°C

v závislosti na použitém cementu uvolňování chemicky vázané vody (dehydratace hydroxidu vápenatého)

snížení fc, snížení Ec

<500°C

krátkodobé působení teploty pevnost významně neovlivňuje

1600°C

tavení betonu

významný vliv kameniva: hutné kamenivo - křemičité lehké kamenivo – čediče, škvára, struska, expandované jíly, pemza, vápencové štěrky

11


www.rib.cz

EN 1991-1-2 Požární odolnost lze ověřit 1) z hlediska času tfi,d≥ tfi,req

Upřednostňovaná metoda – ukazuje rezervy spolehlivosti při požáru

2) z hlediska únosnosti Rfi,d,t≥ Efi,d,t 3) z hlediska teploty θd≥ θcr,d

12


www.rib.cz

EN 1991-1-2 Zatížení konstrukcí během požáru:

■ Mechanické a) obecné pravidlo pro mimořádné návrhové situace (ČSN EN 1990)

Efi, d = ∑ Gk, j "+" P"+" Ad "+" (ψ 1,1 nebo ψ 2,1 )Qk,1 "+" ∑ψ 2,i Qk,i j ≥1

i >1

reguluje ČSN EN 1991 a zpřesňuje česká NA b) zjednodušené pravidlo – účinky stanovené pro čas t=0, které lze uvažovat po celou dobu požáru Efi,d = ηfi Ed , kde ηfi je redukční součinitel definovaný v ČSN EN 1992 až 1996 a ČSN EN 1999 pro navrhování konstrukcí na účinky požáru

■ Tepelné a) modelování nominální teplotní křivkou (normová křivka, vnějšího požáru, uhlovodíková) modely pro celý požární úsek

X b) parametrická teplotní křivka (závisí na hustotě požárního zatížení, podmínkách odvětrání model dynamická pro lokální požárplynů) c) zdokonalené modely požáru (jednozónové, dvojzónové, analýza

(plameny zasahující, nezasahující strop)

13


www.rib.cz

EN 1991-1-2

Efi, d = ∑ Gk, j "+" P"+" Ad "+" (ψ 1,1 nebo ψ 2,1 )Qk,1 "+" ∑ψ 2,i Qk,i j ≥1

14

i >1


www.rib.cz

EN 1991-1-2: alternativní postupy navrhování

15


www.rib.cz

Zdokonalené modely požáru: Zónové modely - termodynamická analýza Jednozónový model

Předpokladem je jednodimenzionální vedení tepla, které je popsáno první větou termodynamiky! Tg = teplota plynu

Tg

hg

hw hc

Ai

R

Energetická rovnováha: hc – (hl + ho + hw + hg) = 0 Hmotnostní rovnováha:

hl ho

Aw mg ml

Aw = plocha okna Ai = uzavřený vnitřní prostor Množství energie za jednotku času: hc = uvolněná energie v požárním úseku hl = vyprouděná energie kouřovými plyny ho = vyzářená energie z okna hw = vedení/záření do okolních částí stavby hg = uložená energie v kouřových plynech mg = vyprouděné množství kouře ml = vprouděné množství čerstvého vzduchu R = uvolněná energie ze zatížení požárem

mg – (ml + R) = 0 16


www.rib.cz

Zdokonalené modely požáru: Dynamická analýza plynů - FEM Jsou počítány rovnice zachování a přenosu energie, hybnosti a hmoty mezi velkým množstvím objemů, na které je prostor rozdělen. Modeluje se ve 3D numerickým řešením parciálních diferenciálních rovnic v závislosti na čase.

Pro každý kontrolní objem se řeší proudění plynů, laminární a turbulentní proudění, stlačitelné a nestlačitelné proudění, chemické reakce spalování, uvolňování tepla, přirozené i smíšené sdílení tepla sáláním a prouděním, přenos chemických látek a jejich směšování 17

Programy: FAST, ARGOS, OZONE, BRANZFIRE © RIB stavební software s.r.o. 2008

www.rib.cz

EN 1991-1-2: ekv. doba vystavení účinkům požáru doba působení požáru podle normové teplotní křivky, která má podle předpokladu stejný tepelný účinek jako skutečný požár v požárním úseku určením ekvivalentní doby účinků požáru a návrhem konstrukčního prvku na tuto dobu, po kterou prvek bude odolávat normové teplotní křivce, se zajistí předepsaná nosná funkce konstrukce po proběhnutí požáru (bez vnějšího zásahu: aktivní požární ochrany, hašení stavby)

18


www.rib.cz

ČSN 730802 a ČSN 730804 Stupeň požární bezpečnosti I až VII pro požární úsek:

■ ČSN 730802: Nevýrobní objekty – v závislosti na výpočtovém požárním zatížení v kg/m2 a hořlavosti konstrukčního systému (DP1, DP2, DP3) a výšky objektu

■ ČSN 730804: Výrobní objekty – v závislosti na ekvivalentní době trvání požáru v minutách, hořlavosti konstrukčního systému (DP1, DP2, DP3) a počtu pater

požární odolnost v minutách vztažená k normovému průběhu požáru normové doby požární odolnosti: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 min

19


www.rib.cz

ČSN 730810: P.b.s – Společná ustanovení

Vybrané značky požadavků na vlastnosti požární odolnosti:

■ nosnost konstrukce R(t) ■ celistvost konstrukce E(t) ■ tepelná izolace konstrukce I(t) ■ hustota tepelného toku či radiace z povrchu konstrukce W(t)

20


www.rib.cz

ČSN 730821: Požární odolnost stavebních konst. Uvádí hodnoty požární odolnosti: Tab. 1A a 1B - stěny zděné, montované monolitické Tab. 4A a AB Tab.8

- stropy betonové - sloupy železobetonové a zděné

....v závislosti na skupině betonu:

■ beton skupiny A – směs z pórovitého umělého kameniva <1800kg/m3 ■ beton skupiny B – směs z hutného kameniva ≥1800kg/m3

21


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2 Požární odolnost železobetonových sloupů podle ČSN EN 1992-1-2: 11/2006

Tabulkové Tabulkové údaje: údaje:

Jednoduché výpočetní metody:

-- Metoda Metoda A A –– Tab Tab 5.2a 5.2a

- Metoda isotermy 500 °C

-- Metoda Metoda B B –– Tab Tab 5.2b 5.2b

- Zónová metoda

-- Příloha Příloha C1 C1 –– C9 C9

- Metoda založená na odhadu křivosti

Zpřesněné výpočetní modely: - tepelná odezva - mechanická odezva

Národní přílohou jsou povoleny všechny zmíněné metody 22


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2: tabulkové údaje Tabulkové údaje:

■ ve vztahu k nominální normové teplotní křivce ■ závisí na poměru zatížení během požáru vzhledem k návrhové únosnosti průřezu

■ stanovují minimální rozměry průřezu a vzdálenosti těžiště výztuže od okraje pro danou normovou požární odolnost

■ použití limituje excentricita zatížení, výška sloupu (metoda A, B), popř. rozměry průřezu v závislosti na užité tab. (metoda C) a především pak podmínka nepohyblivých styčníků

■ obecně konzervativnější než tabulkové hodnoty podle ČSN 73 0821, především pro kratší dobu požární odolnosti ≤ R60

23


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2: jednoduché výpočetní metody Metoda isotermy 500 °C

■ možnost aplikace nominální normové teplotní křivky i parametrického požáru

■ nutnost splnění minimálních rozměrů ■ metoda platí pro namáhání průřezů normálovou silou, ohybovým momentem a jejich kombinací včetně účinku druhého řádu Postup: 1) stanoví se poloha izotermy 500 °C pro stanovené působení požáru 2) stanoví se nová šířka bfi a nová výška dfi průřezu vyloučením betonu vně izotermy 500 °C (uvažuje se, že beton nad tuto tepl. není únosný) 3) stanoví se teplota v těžišti jednotlivých výztužných prutů (včetně prutů vně redukovaného průřezu) 4) stanoví se redukovaná pevnost ve výztuži 5) stanovení mezní únosnosti redukovaného průřezu 6) kontrola spolehlivosti průřezu Rfi,d ≥ Efi,d 24


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2: jednoduché výpočetní metody Metoda isotermy 500 °C

■ možnost aplikace nominální normové teplotní křivky i parametrického požáru

■ nutnost splnění minimálních rozměrů ■ metoda platí pro namáhání průřezů normálovou silou, ohybovým momentem a jejich kombinací včetně účinku druhého řádu Postup

Součinitel ks( θ ) pro redukci charakteristické pevnosti (fyk) tahové a tlakové výztuže 25


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2: Jednoduché výpočetní metody Zónová metoda ■ určená pouze pro nominální normové teplotní křivku

■ bez omezení ■ pracnější, avšak poskytuje přesnější výsledky než metoda izotermy 500 °C, vhodná zvláště pro sloupy

■ metoda platí pro namáhání průřezů normálovou silou, ohybovým momentem a jejich kombinací včetně účinku druhého řádu Postup: 1) průřez se rozdělí na několik rovnoběžných zón (n≥3) stejné tloušťky 2) ve středu každé zóny se stanoví průměrná teplota θi 3) určí se redukční součinitele kc,θi, tlakové pevnosti betonu pro každou zónu 4) stanoví se střední hodnota redukčního součinitele kc,θm, zahrnující součinitel (1-0,2/n), který umožňuje vystihnout změnu teploty v každé zóně 5) průřez poškozený požárem je redukován 3) stanoví se teplota v těžišti jednotlivých výztužných prutů (včetně prutů vně redukovaného průřezu) 6) kontrola spolehlivosti průřezu Rfi,d ≥ Efi,d 26


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2: Jednoduché výpočetní metody

Součinitel kc( θ) pro redukci charakteristické pevnosti betonu (fck)

Rozdělení stěny vystavené požáru na obou stranách na zóny pro výpočet redukce pevnosti a hodnot az 27


www.rib.cz

ČSN EN 1992-1-2: jednoduché výpočetní metody

■ Zónová metoda, ačkoli je bez použití výpočetní techniky pracnější, je podle EN 1992-1-2 přesnější než metoda izotermy 500 °C. Je velmi dobře použitelná pro masivní i štíhlé sloupy

■ Přesnost resp. ekonomičnost výpočtu závisí na výstižnosti teplotních profilů (příloha A v EN 1992-1-2)

■ Zónová metoda je implementována v programu BEST

28


www.rib.cz

Literatura [1] F. Wald: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí [2] V. Kupilík: Stavební konstrukce z požárního hlediska [3] EN 1992-1-2: Navrhování betonových konstrukcí - Navrhování konstrukcí na účinky požáru [4] EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí - Zatížení konstrukcí vystavených účinků požáru

29


www.rib.cz

Děkuji za pozornost !

30


www.rib.cz

Seminář RIB. Úvod do požární odolnosti

Recommend Documents