VÝPOČET POŽÁRNÍHO ZATÍŽENÍ Prof. Ing. František Wald, CSc., ing. Zdeněk Sokol, Ph.D. České vysoké učení technické v Praze
1
ČASOVÝ PROGRAM ZAVEDENÍ NORMY DO SYSTÉMU ČSN
Norma Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru [1] byla schválena v CENu v dubnu 2002. Do systému českých norem byla přijata v roce 2004. Text normy přeložil ing. Jan Karpaš, CSc., který také vypracoval národní přílohu. V roce 2006 vyšla Oprava 1, která pro jednotlivé materiály sjednotila překlad některých termínů v soustavě norem na výpočet požární odolnosti konstrukcí, tj. dokumentů ČSN EN 199x-1-2. V opravě byl termín „zjednodušený výpočetní model“ nahrazen „jednoduchý výpočetní model“, termín „zdokonalený výpočetní model“ výrazem „zpřesněný výpočetní model“. V článku normy 1.6 Značky fyzikální veličiny byl změněn termín „specifické teplo“ na „měrné teplo“.
2
SROVNÁNÍ S ENV
Norma upřesňuje některé části předběžné normy ČSN P ENV 1991-2-2 z roku 1995, která byla v ČR přijata v roce 1997. Největší přínos lze nalézt u přílohy A, kde byla předpověď teploty v požárním úseku analytickým modelem pomocí parametrické teplotní křivky zpřesněna na základě posledních experimentálních poznatků.
3
STRUKTURA NORMY
První kapitola uvozuje rozsah platnosti normy, definuje termíny a zavádí značky. Druhá kapitola shrnuje postup návrhu konstrukce na účinky požáru, tj teplotní analýzu požárního úseku, přestup a rozvoj tepla v požárním úseku, mechanické zatížení za požáru a analýzu konstrukce za zvýšené teploty. Třetí kapitola popisuje modely tepelných zatížení pro teplotní analýzu. Kromě jednoduchých modelů rozvoje teploty v požárním úseku pomocí nominální normové teplotní křivky doporučuje využívat i přesnějších parametrických a zónových modelů a dynamické analýzy plynů. Čtvrtá kapitole shrnuje mechanická zatížení při požáru pro analýzu konstrukce, pravidla jejich kombinace a možná zjednodušení při návrhu. Příloha A popisuje analytický model teploty v požárním úseku při prostorovém požáru po celkovém vzplanutí pomocí parametrické teplotní křivky. Příloha B umožňuje zjednodušený výpočet tepelného zatížení vnějších prvků, kde přesnější časově závislý návrh je popsán v příloze B ČSN EN 1993-1-2. Příloha C popisuje analytický model teploty v požárním úseku při lokálním požáru. Příloha D definuje požadavky na zdokonalené modely požárů. V příloze E jsou zavedeny pojmy, jako rychlost uvolňování energie nebo součinitele vyjadřující nebezpečí vzniku požáru, a hodnoty vstupních dat, např. hustoty požárního zatížení nebo hodnoty čisté výhřevnosti jednotlivých materiálů, pro výpočet hustoty požárního zatížení během požáru. Příloha F umožňuje výpočet ekvivalentní doby vystavení účinkům požáru. Příloha G popisuje výpočet polohového faktoru.
4
NÁRODNÍ PŘÍLOHA
Národní příloha, která je informativní, definuje, že Národně stanovené parametry, kterých je deset, mají pro stavby umístěné na území České republiky normativní charakter. Prvních devět národně stanovených parametrů uplatňuje pro ČR doporučené hodnoty 1
v jednotlivých článcích normy a tím umožňuje konzistentní využití příloh normy. Článek NA.2.10 uvádí, že se v ČR pro reprezentativní hodnotu proměnného zatížení Q1 použije kvazistálá hodnota ψ2,1Q1. Podle charakteru konstrukce budovy a jejího umístění se doporučuje, zejména u halových objektů, pro zatížení sněhem a větrem během působení požáru uplatnit použití časté hodnoty ψ1,1Q1. Doporučené hodnoty součinitelů ψ1,1 a ψ2,1 jsou uvedeny v EN 1990:2004, tabulka A1.1. Použití časté hodnoty ψ1,1Q1 je v rozporu s posledními poznatky, viz např. [2], a lze očekávat, že bude při revizi normy aktualizován.
5
ŘEŠENÉ PŘÍKLADY
5.1 Parametrická teplotní křivka Postup výpočtu teploty plynu v požárním úseku je udále kázán na řešeném příkladu, který je zjednodušením požárního experimentu. Stanovte teplotu plynu při prostorovém požáru parametrickou teplotní křivkou v obytné místnosti o rozměrech 4 x 6 m a výšce 2,8 m s jedním oknem velikosti 1,4 x 2,4 m s parapetem 1,1 m, viz obr. 1. Podlaha a strop jsou ze železobetonu, stěna z oknem z lehkého betonu a ostatní stěny jsou vyzděny. Aktivní požární ochrana není zajištěna. Bezpečná evakuace osob a odvodu kouře z únikových cest jsou umožněny. Technické hasící prostředky jsou k disposici. ___________________________________________________________________________ Půdorys
Řez
Pol. 1
Pol. 2
Pol. 4 6 000
Pol. 3 1 400
2 400
4 000 Pol. 2
Pol. 1
2 800
Pol. 2
1 100 Pol. 4
Pol. 2
Pol. 3
Obr. 1 Vyšetřovaný požární úsek 5.1.1 Požární zatížení Součinitel hoření m lze uvažovat pro převážně celulosové hořlavé materiály, které se vyskytují v bytech, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.3(2), hodnotou m = 0,8 nebezpečí vzniku požáru v závislosti na velikosti požárního úseku, viz ČSN EN 1991-1-2 tab. E.2, δq1 = 1,1 + (1,5 - 1,1) ⋅ (40 - 25) / (250 - 25) = 1,13 nebezpečí vzniku požáru vlivem druhu provozu δq2 = 1,0 Požární úsek bytu je zajištěn běžnými prostředky požární ochrany, jako je bezpečná evakuace osob včetně odvodu kouře z únikových cest a technickými hasícími prostředky, a součinitel aktivní požární ochrany může být uvažován hodnotou, viz ČSN EN 1991-1-2 tab. E.2, δn = 1,00 2
Návrhová hustota požárního zatížení se spočte pro 80% kvantit hustoty požárního zatížení podle ČSN EN 1991-1-2 tab. E.4 jako qf,d = qf,k m δq1 δq2 δn = 948 ⋅ 0,8 ⋅ 1,13 ⋅ 1,0 ⋅ 1,0 = 857 MJm-2 5.1.2 Ventilace Plocha podlahy Af = 4 ⋅ 6 = 24 m2 Plocha ohraničujících konstrukcí úseku At = 2 ⋅ (24 + (4 + 6 )⋅ 2,8) = 104 m2 Celková plocha svislých otvorů ve všech ohraničujících konstrukcích Av = 1,4 ⋅ 2,4 = 3,36 Koeficient otvorů, viz ČSN EN 1991-1-2 A.2a, (v rozsahu 0,02 ≤ O ≤ 0,20) lze vyjádřit jako 1/2 O = Av heq / At = 3,36 ⋅ 1,4 / 104 = 0,0382 m Koeficienty povrchů jsou stanoveny v tab. 1.1. Tab. 1 Koeficienty povrchů Hustota Pol. Materiál 1 2 3 4
Stěna – 1 - lehký beton Stěna – 2 - cihelné zdivo Strop 1. vrstva - ocel Strop 2. vrstva - beton
ρ
kg/m3
Specifické teplo c, J kg1 K-1
Tepelná vodivost λ W m1 K-1
Koef. povrchu bi = ( ρ c λ ) J m-2 s-1/2 K-1
Plocha povrchu Aj m2
4 ⋅ 2,8 3,36 = 7,84 4 ⋅ 2,8 + 970 + 2 ⋅ 6 ⋅ 2,8 = 44,8
1 600
840
0,80
1 600
840
0,70
7 850
440
58,00
14 154
4 ⋅ 6 = 24
2 300
900
2,00
2 035
2 ⋅ 4 ⋅ 6 = 2 ⋅ 24
1 037
Pro povrch stropu s různými vrstvami materiálů pro b1 = 14154 > b2 = 2035 J m-2 s-1/2 K-1 se počítá se střední rychlostí rozvoje požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7, která je pro byt tlim = 20 min = 0,25 hod Hustota požárního zatížení, vztažená k celé ploše povrchu, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.(10), se počítá jako qt,d = qf,d Af / At = 857 ⋅ 24 / 104 = 197,8 MJ/m2 Nejvyšší teplota θmax , viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7, bude v čase tmax = max [tlim; (0,2 10-3 qt,d / O)] = max [20; (0,2 10-3 197,8 / 0,0382)] = 1,035 hod Mezní tloušťka materiálu vystaveného požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.5, je 3 600 t max λ1 3 600 ⋅ 1,035 ⋅ 58 slim = = = 0 ,250 m < s1 = 0,001 m c1 ρ1 440 ⋅ 7850
3
⎛ s1 s ⎞ 0,001 0,001 ⎞ ⎛ -2 -1/2 -1 14154 + ⎜1 − b1 + ⎜⎜1 − 1 ⎟⎟ b2 = ⎟ 2035 = 2083 J m s K 0 25 0 25 slim s , , ⎝ ⎠ lim ⎠ ⎝
b=
Tepelnou charakteristiku povrchů ohraničujících konstrukcí lze uvažovat v rozsahu 100 ≤ b ≤ 2200, , viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.6. rov. (A.5), b=
∑( b A ) /( A j
j
t
-2 -1/2
= 1495 J m s
− Av ) =(1037 ⋅ 7,84 + 970 ⋅ 44,8 + 24 ⋅ 2035 + 24 ⋅ 2083 ) / (104 – 3,36) =
K-1
Vypočte se součinitel, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 rov (A.2a), Γ = (O / b)2 / (0,04/1 160)2 = (0,0382 / 1495)2 / (0,04/1160)2 = 0,549 V přírůstcích po 5 s se tabulkovým procesorem stanoví náhradní čas. Např. v čase 30 min bude podle ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 (A.2a), t* = t Γ = 0,5 ⋅ 0,549 = 0,2745 hod 5.1.3 Teplota plynů v požárním úseku Teplota plynů v požárním úseku se počítá v přírůstcích 5 sekund podle ČSN EN 1991-12 čl. A.3 rov (A.1), např. v čase 30 min se vypočte jako θg = 1325 (1 – 0,324 e-0,2 t* – 0,204 e-1,7 t* – 0,472 e-19 t*) + 20 = 765,7 °C 5.1.4 Nejvyšší teplota Pro byt je střední rychlost rozvoje požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.4(2) tab. E.5, tlim = 20 min = 0,25 hod Nejvyšší teplota θmax bude v čase, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7 rov. (A.7), tmax = max [tlim; (0,2 10-3 qt,d / O)] = max [0,25; (0,2 103 197,8 / 0,0382)] = 1,035 hod Náhradní čas nejvyšší teploty se vypočte jako, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7 rov. (A.6), t*max = tmax Γ = 1,035 ⋅ 0,549 = 0,568 hod Nejvyšší teplota se stanoví, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 rov. (A.1), θg = 1325 (1 – 0,324 e-0,2 t* – 0,204 e-1,7 t* – 0,472 e-19 t*) + 20 = 859,0 °C 5.1.5 Chladnutí Pro chladnutí je t*max, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov. (A.11b), 0,5 < t*max = 0,6 < 2 hod se uvažuje chladnutí 250 (3 – t*max) (t* – t*max x)° C za hod. Pro tmax = 1,035 > tlim = 0,25 hod se počítá s x = 1,0, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov. (A.12),. Např. pro 90 min požáru, t* = t Γ = 1,5 ⋅ 0,549 = 0,8235 hod bude teplota, viz ČSN EN 19911-2 čl. A.11 rov (A.11b), θg = θmax – 250 (3 - t*max ) (t* - t*max ⋅ x) = 859,0 – 250 (3 – 0,6 ) (0,8235 – 0,6 ⋅ 1,0) = = 829,0 °C
4
Teplota plynu 20 °C bude v požárním úseku v čase, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov. (A.11b), t = [(θmax - θg) / (250 . [3 - t*max ]) + t*max . x] / Γ = = [(859,0 - 20) / (250 . [3 – 0,6]) + 0,6 . 1,0] / 0,549 = 3,55 hod = 212,97 min Na obr. 2 je teplotní křivka, výsledek řešeného příkladu, porovnána s nominální normovou teplotní křivkou. Je vidět, že pro celulózové hoření je popis nárůstu teploty podle nominální normové křivky poměrně výstižný, rozdíl pro maximální teplotu je pod 100°C. Teplota plynu, °C 1000 959,0 °C
841,8 °C 800
Nominálná normová teplotní křivka Parametrická teplotní křivka
765,7 °C
600 400 200 0 0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
Čas, min
Obr. 2 Porovnání vypočtené parametrické teplotní křivky s křivkou nominální 5.1.6 Porovnání s experimentem Požární úsek v řešeném příkladě, je obdobný úseku při zkoušce ČVUT v Praze na objektu koksovny Mittal Steel Ostrava dne 16.5.2006, viz obr. 3 a 4. Hlavním cílem pokusu bylo prohloubení poznatků o teplotě styčníků a vnitřních silách v konstrukci při jejím zahřívání a chladnutí. Naměřené hodnoty teplot jsou dokumentovány na obr. 5. Pro tento poměr stran požárního úseku s otvorem pouze v přední části (6:4) byly do asi 30 min teploty blíže k otvoru vyšší o až 200 °C. Při plném rozvinutí požáru, viz obr. 6, byly vyšší teploty vzadu v požárním úseku o až 160°C, viz [3]. Při chladnutí se teploty vyrovnaly. Porovnání vypočítané, pomocí parametrické teplotní křivky a programem Ozone, a střední naměřené teploty plynů 300 mm pod stropem požárního úseku při zkoušce je ukázáno na obr. 7. Výpočet odpovídá naměřeným geometrickým a materiálovým charakteristikám. Je vidět, že předpověď průměrné teploty plynu je výstižná a konzervativní. Půdorys
500 500 TG6 TG5
Řez
1000
1000 TG4
TG3
1000 TG2
TG6 TG5
1000
3. NP +9,50 300
TG4
TG3
+7,52
TG1 2. NP +6,45
Obr. 3 Poloha termočlánků při zkoušce
5
300 TG2
TG1
a)
b) Obr. 4 a) Požární zatížení dřevěnými hranoly 50 x 50 x 1000, b) Mechanické zatížení barely s vodou Teplota plynu, °C 1000 800
TG1
TG2 TG3
Průměr TG1+TG2+TG3+TG4
TG4 TG5
600 400
TG6
200 0 0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
Čas, min
Obr. 5 Naměřené hodnoty teploty plynu 300 mm pod stropem požárního úseku Teplota plynu, °C Parametrická teplotní křivka
1000 800
Průměr TG1+TG2+TG3+TG4
600 Předpověď zónovým modelem OZone v2
400 200 0 0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
Čas, min
Obr. 6 Porovnání teploty plynu vypočítané parametrickou křivkou, programem Ozon se střední změřenou teplotou plynu
6
a)
b) Obr. 7 a) Omezení hoření ventilací v 15 min požáru b) Plně rozvinutý požár v 60 min požáru
5.2 Ohřev nosníku vystaveného lokálnímu požáru Postup výpočtu teploty nosníku při lokálním požáru je shrnut ve výpočtu řešeného příkladu, který přibližně odpovídá situaci při požárním experimentu. Vypočtěte tepelný tok dopadající na strop a nejvyšší teplotu průvlaku z profilu I 300 při lokální požáru. Výška požárního úseku je 2,8 m, plocha ohně 1,0 m2, výška hranice z dřevěných hranolů 0,65 m, objem paliva 0,33 m3, nosník leží ve vzdálenosti 0,5 m od osy požáru, viz obr. 8. ___________________________________________________________________________ Půdorys
Řez +9,50 3. NP I 180 2,8 m +6,45 2. NP
0,5 m
Obr. 8 Průvlak vystavený lokálnímu požáru 5.2.1 Uvolňování tepla Největší rychlost uvolňování tepla RHR lze podle typu provozů stanovit podle ČSN EN 1991-1-2 čl. E.3(2) tab. E.5, pro dřevěné hranoly 50 x 50 x 1 000 mm se uvažuje s hodnotou Qmax = 1 250 kWm-2. Doba potřebná pro dosažení rychlosti uvolňování tepla 1 MW se stanoví podle ČSN EN 1991-1-2 tab. E.5, pro dřevěné hranoly lze počítat s tα = 300 s. Rychlost uvolňování tepla do dosažení nejvyšší rychlosti se stanoví jako 2 Q = 106 ⋅ (t / tα ) viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.4(1) rov. (E.5). Při objemové hmotnosti paliva 500 kg m-2 a jeho výhřevnosti 1,47 1050 J kg-1 je množství energie v palivu asi Qf,k = 2,9 109 J. Popis význačných bodů na křivce rychlosti uvolňování tepla je popsán v Příloze E ČSN EN 1991-12. Graf je zobrazen na obr. 9. Prvním význačným bodem na křivce je dosažení nejvyšší 7
rychlosti uvolňování tepla Předpokládá se, že rychlost hoření začne lineárně klesat při vyhoření 70 % paliva, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.4(5). Doba, za kterou palivo vyhoří, lze stanovit jako tc = 0,6 Qf,k / Qmax Množství uvolňovaného tepla 10 6, kWm-2
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
0
15
30
45
60
Čas, min
Obr. 9 Rychlost uvolňování tepla během požáru Výpočet tepelného toku je dále textu ukázán v 30. min požáru. Rozvoj tepelného toku a teploty průvlaku v čase se počítá v přírůstcích 1 s tabulkovým procesorem. Průběžné výsledky jsou zobrazeny na obr. 10 až 12. 5.2.2 Tepelný tok Vzdálenost mezi zdrojem požáru a stropem H = 2,8 - 0,65= 2,15 m Náhradní průměr ohně D = (4 A / π)1/2 = (4 1,0 /π)1/2 = 1,128 m Délka plamene v 30. min požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(2) rov. (C.1), Lf = - 1,02 D + 0,0148 Q2/5 = - 1,02 ⋅ 1,13+ 0,0148 ⋅ (1,25⋅ 103)2/5 = 2,91 m < 2,8 0,65 m Plamen ve 30. min zasahuje strop. Součinitel rychlosti uvolňování tepla, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(8) rov. (C.6), Q*H = Q / (1,11 ⋅ 10 6 ⋅ H 2 ,5 ) = 1,25 ⋅ 10 6 / (1,11 ⋅ 10 6 ⋅ 2 ,152 ,5 ) = 0,166 Vodorovná délka plamene, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(7) rov. (C.5), Lh = 2 ,9 H ( Q*H )0 ,33 − H = 2 ,9 ⋅ 2 ,15 ( 0,166 )0 ,33 − 2 ,15 = 1,298 m Součinitel, který redukuje uvolňování tepla o vliv omezení výšky, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(9) rov. (C.8), Q*D = Q / (1,11 ⋅ 10 6 ⋅ D 2 ,5 ) = 1,25 ⋅ 10 6 / (1,11 ⋅ 10 6 ⋅ 1,1282 ,5 ) = 0,832 Poloha virtuálního zdroje tepla ve svislém směru v případě Q*D < 1,0; viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(9) rov. (C.7), z´ = 2 ,4 D (Q*D 2 / 5 − Q*D 2 / 3 ) = 2 ,4 ⋅ 1,13 (0,832 2 / 5 − 0,832 2 / 3 ) = 0,120 m
8
Vodorovná délka plamene, m 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0
15
30
45
60
Čas, min
Obr. 10 Vodorovná délka plamene Pro vodorovnou vzdálenost mezi svislou osou ohně a bodem u stropu je r = 0,5 m se podle ČSN EN 1991-1-2 čl. C(5) rov. (C.1) stanoví se součinitel r + H + z′ 0,50 + 2 ,15 + 0,120 y= = = 0,7763 Lh + H + z ′ 1,298 + 2 ,15 + 0,120 Pro 0 < y ≤ 1,0 se tepelný tok dopadající na jednotku povrchové plochy, viz obr. 1.16, stanoví jako = 136 300 – 121 000 y = 136300 – 121000 ⋅ 0,776 = 42 366 W m-2 Čistý teplený tok, Wm
-2
3,E+04 2,E+04 1,E+04 0,E+00 0
15
30
45
60
75
Čas, min
-1,E+04 -2,E+04
Obr. 11 Tepelný tok dopadající na jednotku povrchové plochy během požáru Čistý teplený tok dopadající na jednotku povrchové plochy viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(10) rov. (C.9), stanoví jako 4 h&net,d = h& − α c (θ m − 20) − Φ ε m ε f σ (θ m + 273) − 2934
[
]
kde se součinitel přestupu tepla prouděním uvažuje αc = 25 Wm-2K-1, polohový faktor Φ = 1; povrchová emisivita prvku εM = 0,7; emisivita požáru εf = 1 a Stefan-Boltzmannova konstanta σ = 5,67 10-8 W m-2 K-4. Při teplotě průvlaku 631,4°C je čistý teplený tok dopadající na jednotku povrchové plochy 4 h&net,d,t =30min = 42366 − 25 (631,4 − 20) − 1,0 ⋅ 0,7 ⋅1,0 ⋅ 5,67 ⋅10 −8 (608,3 + 273) − 2934 =
[
]
-2
= 631 Wm
5.2.3 Přestup tepla do konstrukce Teplota nechráněné průvlaku se stanoví po přírůstcích z výrazu (4.25) v ČSN EN 1993-12 čl. 4.2.5.1(1), viz [6], ze vztahu A /V 131 131 hnet ,d Δt = 1,0 hnet ,d Δt ≈ Δθ a ,t = k sh m ⋅ 631 ⋅ 1 = 0,0137 ca ρ a ca 7850 766 ⋅ 7850
9
kde se součinitel zastínění ksh = 1,0; součinitel průřezu ocelového prvku Am/V = 131 m-1, hustota oceli 7850 kgm-3; měrné teplo oceli, viz ČSN EN 1993-1-2 čl. 3.4.1.2(1) rov. (3.2), - pro 20 °C ≤ θa < 600 °C jako ca = 425 + 7,73 10-1 θa - 1,69 ⋅ 10-3 θa2 + 2,22 ⋅ 10-6 θa3 J kg-1 K-1 - pro 600 °C ≤ θa < 735 °C jako ca = 666 + 13002 / (738 − θ a ) J kg-1 K-1 - pro 735 °C ≤ θa < 900 °C jako ca = 545 + 17820 / (θ a − 731) J kg-1 K-1 - pro 900 °C ≤ θa ≤ 1200 °C jako ca = 650 J kg-1 K-1 Konzervativně lze uvažovat ca = 600 J kg-1 K-1. Postup výpočtu je dokumentován v tab. 1.2 a teplota průvlaku během požáru na obr. 1.17.
Čas, min
Virtuální počátek osy, m
Délka plamene, m
Tepl. v oblaku hoř plynů, °C
Souč.uvolň. tep.na prům. lok. pož.
Svislá poloha virt. zdroje tepla, m
Souč. rychlosti uvolň.tepla
Vodorovná délka plamene, m
Součinitel
Tep. tok na jedn. povrchu plochy
Teplota povrchu prvku, °C
Čistý tepelný tok, Wm-2
Přírůstek teploty průvlaku, °C
Tab. 2 Stanovení teploty prvku tabulkovým procesorem
t 0,00 0,02 0,03 0,05
z0 0,00 -1,14 -1,13 -1,12
Lf -1,15 -1,11 -1,08 -1,06
θz, °C 20,000 20,171 20,440 20,757
Q*D 0,0E+00 7,4E-06 3,0E-05 6,7E-05
z´ 0,000 0,023 0,039 0,053
Q*H 0 1,48E-06 5,91E-06 1,33E-05
Lh 0 0 0 0
y 1,56 1,56 1,55 1,55
h& 0,00 4,33 10,96 18,91
20,00000 20,00016 20,00058 20,00130
h´net 0,00 4,33 10,96 18,91
0,00E+00 1,64E-04 4,16E-04 7,18E-04
29,97 29,98 30,00 30,02 30,03
0,29 0,29 0,29 0,29 0,29
-
-
8,3E-01 8,3E-01 8,3E-01 8,3E-01 8,3E-01
0,1200 0,1200 0,1200 0,1200 0,1200
0,166 0,166 0,166 0,166 0,166
1,298 1,298 1,298 1,298 1,298
0,7763 0,7763 0,7763 0,7763 0,7763
42 366 42 366 42 366 42 366 42 366
608,277 608,290 608,304 608,318 608,332
634,89 632,83 630,77 628,72 626,68
1,38E-02 1,38E-02 1,37E-02 1,37E-02 1,36E-02
10
θm
Δθa,t
Teplota průvlaku, °C 600 500 400 300 200 100 0 0
15
30
45
60
Čas, min
Obr. 12 Teplota nechráněného průvlaku z profilu I 300 vypočítaná po přírůstcích 5 s 5.2.4 Porovnání s experimentem Řešený příklad přibližně popisuje zkoušku ČVUT v Praze na objektu odstředivek Čpavkárny II v areálu koksovny Mittal Steel Ostrava dne 15.5.2006, viz obr. 13 [5]. Hlavním cílem pokusu bylo prohloubení poznatků o teplotě sloupů při místním požáru, viz obr. 14. Obr. 15 ukazuje rozvoj teplot v požárním úseku při lokálním požáru. Porovnání vypočítané teploty průvlaku pomocí analytického modelu a naměřené teploty při zkoušce je ukázáno na obr. 16. Výpočet odpovídá naměřeným geometrickým a materiálovým charakteristikám paliva. Termočlánek TC1 byl umístěn na středu průvlaku ne středu horního povrhu ramene pásnice, termočlánek TG7 nad hranou hranice 400 mm pod stropem. Je vidět, že předpověď teploty nosníku analytickým modele je výstižná a konzervativní. Při výpočtu teploty stropnice zónovým modelem se vychází z předpovědi teploty plynu v ohni a v požárním úseku, viz obr. 17. Výpočet v tomto případě vhodně zahrnuje i velikost požárního úseku. Zónový model velmi přesně předpovídá teplotu prvku v ose plamene. Pro průvlak, který je na kraji plamene, byla jeho teplota stanovena jako průměr z teplot v plameni a mimo plamen, viz obr. 18. Půdorys
Řez TC3 TG2 TC2
+9,50 3. NP
400
TC2 TG3
TG3
TG2 TG7
TC1 0,55 m
TC3
+6,45 2. NP
Obr. 13 Poloha termočlánků při zkoušce
11
TC1
TG7
Obr. 14 Pohled na experiment před zkouškou a v 15. min a 45. min požáru Teplota, °C
Teplota průvlaku, °C
Teplota plynu, TG7
800
800 Vypočteno TC1
600
Teplota průvlaku, TC1 I 300 Teplota stropnice, TC2, TC3 I 180
400
600
400 Změřeno, TC1
200
200 Teplota stropnice, TC4, TC5 I 180
0 0
15
30
0
Čas, min
45
0
Obr. 15 Teploty změřené při lokálním požáru
15
30
Čas, min
45
Obr. 16 Porovnání teploty průvlaku vypočítané analytickým modelem s naměřenými hodnotami Teplota průvlaku, °C
Teplota plynu, °C Změřeno v plameni, TG2 800
800
600
600
Vypočteno v plameni
Změřeno, TC1 400
400 Vypočteno mimo plamen 200
200 Vypočteno
Změřeno u průvlaku TG3
0
0 0
15
30
45
0
60 Čas, min
Obr. 17 Teploty plynů vypočítané zónovým modelem a naměřené hodnoty v plameni a mimo něj
15
30
45
60
Čas, min
Obr. 18 Teploty průvlaku vypočítané zónovým modelem z průměru teplot plynu a plamene a naměřené hodnoty
12
6
MECHANICKÉ ZATÍŽENÍ PŘI POŽÁRU
Požadavky na zatížení při požární návrhové situaci jsou shrnuty kap. 4 dokumentu ČSN EN 1993-1-2:2004, viz obr. 19 podle [7]. Hodnoty zatížení se berou z jednotlivých norem ČSN EN 1991-1-x. Zatížení se kombinuje podle ČSN EN 1990: 2004.
7
SHRNUTÍ
Mechanické zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru je nižší než na jaké se konstrukce navrhují při mezním stavu únosnosti za běžné teploty, což při degradaci materiálu při vysokých teplotách přináší část spolehlivosti konstrukcí. Nominální normová teplotní křivka je osvědčené přiblížení popisu rozvoje teploty při prostorovém požáru po celkovém vzplanutí. Při současné úrovni poznání a využití informační techniky se pro zpřesněné modely globální analýzy, které se požívají pro návrh konstrukcí za běžné teploty, nahrazuje dokonalejšími modely popisu rozvoje tepla při požáru. Připravované integrované modely navrhování konstrukcí se zaměřují na využití poznatků z dynamické analýzy plynů a výzkumů popisu chování styčníků konstrukcí.
8
OZNÁMENÍ
Práce, která prezentuje výsledky projektu GAČR 103/07/1142, vznikla v rámci projektu Celoživotní vzdělávání v požární ochraně, JPD3 MHMP CZ.04.3.07/3.2.01.2/2091, který je podpořen z ESF, státního rozpočtu ČR a rozpočtu HMPH, jehož výstupy lze nalézt na internetové stránce URL: www.fsv.cvut.cz/pozarni.odolnost, viz [7].
9
LITERATURA
[1]
ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí, Obecná zatížení, Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru, ČSNI, Praha 2004. Fontana M., Favre J.P., Fetz: A survey of 40 000 building fires in Switzerland, Fire Safety Journal, 32, 1999, s. 137-158. Kallerová P., Wald F.: Požární zkouška na skutečném objektu, Dílčí výzkumná zpráva, CIDEAS, ČVUT v Praze, Praha 2006, 18 s., URL: www.cideas.cz. Wald F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, České vysoké učení technické v Praze, Praha 2005, 336 s., ISBN 80-0103157-8. Rázl R., Wald F.: Teplota konstrukce při lokálním požáru, Dílčí výzkumná zpráva, CIDEAS, ČVUT v Praze, Praha 2006, 23 s., URL: www.cideas.cz. ČSN EN 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČSNI, Praha 2006. Wald F., Sokol, Z.: Zatížení konstrukcí podle ČSN EN 1991-1-2: 2004, v Navrhování konstrukcí na účinky požáru podle evropských norem 1. vyd. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2007. 124 s. ISBN 978-80-01-03580-1.
[2] [3] [4] [5] [6] [7]
13
VÝPOČET MECHANICKÝCH ZATÍŽENÍ
Pokračování ze stránky Zatížení konstrukcí vystavených požáru Zadání (známé): geometrie konstrukce kategorie užitných zatížení vlivy prostředí
EN 1990:2002 kap. 6 EN 1991-1-1:2002; vlastní tíha EN 1991-1-3:2003; sníh EN 1991-1-4:2003; vítr EN 1991-1-4:2005; sila a zásobníky
Výpočet charakteristických zatížení pro trvalou návrhovou situaci; za běžné teploty
EN 1990:2002 rov. 6.9
Kombinace zatížení při trvalé návrhové situaci
EN 1990:2002 rov. 6.11b EN 1990:2002 Tab. 1.1 NA ČR EN 1990:2002 Tab. NA A1.3 NA ČR EN 1990:2002 NA 2.6 EN 1991-1-2:2003 čl.4.3.1
NA ČR EN 1991-1-2:2003 čl. NA 2.10 doporučuje pro zatížení sněhem a větrem uplatnit časté hodnoty kombinace 1,1 Q1
Kombinace zatížení při mimořádné návrhové situaci
Analýza konstrukce za běžné teploty EN 1992-1-2:2005 čl.2.4.2 EN 1993-1-2:2005 čl.2.4.2 EN 1994-1-2:2005 čl.2.4.2 EN 1995-1-2:2005 čl.2.4.2 EN 1996-1-2:2005 čl.2.4.2
NE
Zpět na stránku Zatížení konstrukcí vystavených požáru
ANO Jako hrubé konzervativní přiblížení lze uvažovat pro Redukční součinitel úrovně zatížení fi
Zpět na stránku Zatížení konstrukcí vystavených požáru
betonové konstrukce podle EN 1992-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,70, ocelové konstrukce podle EN 1993-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65, ocelobetonové konstrukce podle EN 1994-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65, dřevěné konstrukce podle EN 1995-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65, zděné konstrukce podle EN 1996-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65; s výjimkou skladů, kde se doporučuje
fi
= 0,70.
Obr. 19 Postup výpočtu mechanického zatížení konstrukce vystavené účinkům požáru
14
