Posuzování požární odolnosti ocelových konstrukcí

Transkript

1 Posuzování požární odolnosti ocelových onstrucí Františe Wald, Zdeně Sool Česé vysoé učení technicé v Praze Tháurova 7, 1 9 Praha, Česá republia, Summary The paper is focussed into the design of steel structures exposed to the fire. The European standard EN :5 is presented. The procedure of the introduction of the document into Czech practice is shown. The text of the document is compared to the pre-standard ENV. Two wored examples are showing the application of the structural fire Eurocodes. In the example of the heating of the beam by local fire is compared to the measured temperatures by experiment. The calculation of the laterally unrestrained beam is presented with heating according to parametric fire curve. 1 Časový program zavedení normy do systému ČSN Norma pro navrhování ocelových onstrucí byla schválena v CENu 4. dubna 4. Do systému ČSN byla přijata v červenci 5 převzetím anglicého originálu. Ten byl předán autorovi tohoto příspěvu přeladu do češtiny dne 1. června 5. Česý přelad byl odsouhlasen oponenty (ing. Ferl, ing. Rozlíva, prof. Studniča) a na jejich návrh byl TNK 5 dne 1. větna doporučen vydání. Text byl po formálních úpravách 14. srpna 7 převzat pracovnicí ČNI Ing. Z. Aldabaghovou a vydán v prosinci. Srovnání s ENV ČSN EN se v podstatě neliší od předběžné normy ČSN P ENV Nové poznaty lze využít při lasifiaci průřezů za zvýšené teploty, výpočtu teploty nechráněné ocelové, de se pro zahřívání podle nominální teplotní řivy uvažuje se součinitelem stínění sh, a při navrhování onstrucí z orozivzdorných ocelí. Při navrhování průřezů třídy 4 se nově doporučuje využít zpřesněné výpočetní modely nebo počítat přibližně s efetivními průřezy užívanými za běžné teploty a s návrhovou 1

2 mezí luzu za zvýšené teploty. Styčníy ocelových onstrucí vystavených požáru lze požárně chránit nebo jejich únosnost ověřit výpočtem. Strutura normy Norma je členěna následovně: Předmluva; 1. Všeobecně;. Principy návrhu;. Vlastnosti materiálu; 4. Navrhování onstrucí na účiny požáru; Příloha A Deformační zpevnění uhlíové oceli při zvýšených teplotách; Příloha B Přenos tepla venovním onstrucím; Příloha C Korozivzdorná ocel; Příloha D Styčníy; Příloha E Průřezy 4. třídy 4 Národní příloha pro Česou republiu Normy umožňuje změny a volbu součinitelů v Národní příloze v šesti článcích. V Česé republice se ve většině případů přejímají doporučené hodnoty a postupy. Kriticé teploty prvů 4. třídy jsou podle národní přílohy následující: Pro ohýbané prvy průřezů 4. třídy se v ČR uvažuje riticá teplota θ crit 5 C. Pro tlačené prvy průřezů 4. třídy se v ČR uvažuje riticá teplota θ crit 45 C. Dále je uvedena v Národní příloze riticá teplota pro požárně odolnou ocel FRS75N, v tab. NA., a riticá teplota pro tažené za studena ohýbané průřezy, viz tab. NA.1. 5 Řešený přílad - Ohřev nosníu vystaveného loálnímu požáru Vypočtěte tepelný to dopadající na strop a nejvyšší teplotu průvlau z profilu I při loální požáru. Výša požárního úseu je,8 m, plocha ohně 1, m, výša hranice z dřevěných hranolů 5 m, objem paliva m, nosní leží ve vzdálenosti 5 m od osy požáru, viz obr. 1. Půdorys I 18 Řez +9,5. NP,8 m 5 m +,45. NP Obr. 1 Průvla vystavený loálnímu požáru

3 Uvolňování tepla Největší rychlost uvolňování tepla RHR lze podle typu provozů stanovit podle ČSN EN čl. E.() tab. E.5, pro dřevěné hranoly 5 x 5 x 1 mm se uvažuje s hodnotou Q max 1 5 Wm -. Doba potřebná pro dosažení rychlosti uvolňování tepla 1 W se stanoví podle ČSN EN tab. E.5, pro dřevěné hranoly lze počítat s t α s. Rychlost uvolňování tepla do dosažení nejvyšší rychlosti se stanoví jao Q ( t / t ) 1 α, viz ČSN EN čl. E.4(1) rov. (E.5). Při objemové hmotnosti paliva 5 g m - a jeho výhřevnosti 1, J g -1 je množství energie v palivu asi Q f,,9 1 9 J. Popis význačných bodů na řivce rychlosti uvolňování tepla je popsán v Příloze E ČSN EN Graf je zobrazen na obr Prvním význačným bodem na řivce je dosažení nejvyšší rychlosti uvolňování tepla Předpoládá se, že rychlost hoření začne lineárně lesat při vyhoření 7% paliva, viz ČSN EN čl. E.4(5). Doba, za terou palivo vyhoří, lze stanovit jao t c Q f, / Q max. nožství uvolňovaného tepla - 1, Wm 1, 1, Čas, min Obr. Rychlost uvolňování tepla během požáru Výpočet tepelného tou je dále textu uázán v. min požáru. Rozvoj tepelného tou a teploty průvlau v čase se počítá v přírůstcích 1 s tabulovým procesorem. Průběžné výsledy jsou zobrazeny na obr. až 4. Tepelný to Vzdálenost mezi zdrojem požáru a stropem H,8-5,15 m Náhradní průměr ohně D (4 A / π) 1/ (4 1, /π) 1/ 1,18 m Déla plamene v. min požáru, viz ČSN EN čl. C() rov. (C.1),

4 L f - 1, D Q /5-1, 1, (1,5 1 ) /5,91 m <,8-5 m Plamen zasahuje strop. Součinitel rychlosti uvolňování tepla, viz ČSN EN čl. C(8) rov. (C.), Q H 5 (, 5 Q / 111, 1 H ) (, 1, 5 1 / 111, 1 15, ) 1 Vodorovná déla plamene, viz ČSN EN čl. C(7) rov. (C.5), L h,, 9 H ( Q ) H ,,, (, ), 15 1,98 m H Součinitel, terý reduuje uvolňování tepla o vliv omezení výšy, viz ČSN EN čl. C(9) rov. (C.8), Q D ( ), 5 5 Q / 111, 1 D (, 1, 5 1 / 111, 1 118, ) 8 Poloha virtuálního zdroje tepla ve svislém směru v případě Q D < 1,; viz ČSN EN čl. C(9) rov. (C.7), / 5 / / 5 / z, 4 D ( Q D Q ), 4 11, ( 8 8 ) 1 m 1, 1, 8 4 D Vodorovná déla plamene, m Čas, min Obr. Vodorovná déla plamene Pro vodorovnou vzdálenost mezi svislou osou ohně a bodem u stropu je r 5 m se podle ČSN EN čl. C(5) rov. (C.1) stanoví se součinitel y r + H + z , + 1, 77 L + H + z h 1, , + 1 Pro < y 1, se tepelný to dopadající na jednotu povrchové plochy, viz obr. 1.1, stanoví jao 1 11 y W m - 4

5 Čistý teplený to, Wm -,E+4,E+4 1,E+4 E Čas, min -1,E+4 -,E+4 Obr. 4 Tepelný to dopadající na jednotu povrchové plochy během požáru Čistý teplený to dopadající na jednotu povrchové plochy viz ČSN EN čl. C(1) rov. (C.9), stanoví jao h & & 4 4 [ ] ( θ ) Φ ε ε σ ( + 7) net, d h α c m m f θ m 9 de se součinitel přestupu tepla prouděním uvažuje α c 5 Wm - K -1, polohový fator Φ 1; povrchová emisivita prvu ε 7; emisivita požáru ε f 1 a Stefan- Boltzmannova onstanta σ 5,7 1-8 W m - K -4. Při teplotě průvlau 1,4 C je čistý teplený to dopadající na jednotu povrchové plochy h & net, d,t min 4 5 ( 14, ) 1, 7 1, 5, 7 1 [( 8, + 7) 9 ] 1 Wm - Přestup tepla do onstruce Teplota nechráněné průvlau se stanoví po přírůstcích z výrazu (4.5) v ČSN EN čl (1), viz [1.], ze vztahu Δθ A / V h Δt 1, hnet, d Δt c m a,t sh net,d ca ρ a a de se součinitel zastínění sh 1,; součinitel průřezu ocelového prvu A m /V 11 m - 1, hustota oceli 785 gm - ; měrné teplo oceli, viz ČSN EN čl..4.1.(1) rov. (.), - pro C θ a < C jao c a ,7 1-1 θ a - 1,9 1 - θ a +, 1 - θ a J g -1 K -1 - pro C θ a < 75 C jao c a + 1 / ( 78 θ a) J g -1 K -1 - pro 75 C θ a < 9 C jao 5

6 c 178 / ( 71) J g -1 K -1 a θ a - pro 9 C θ a 1 C jao c a 5 J g -1 K -1 Konzervativně lze uvažovat c a J g -1 K -1. Postup výpočtu je doumentován v tab. 1. a teplota průvlau během požáru na obr Tab. 1 Stanovení teploty prvu tabulovým procesorem Čas, min Virtuální počáte osy, m Déla plamene, m Tepl. v oblau hoř plynů, C Souč.uvolň. tep.na prům. lo. pož. Svislá poloha virt. zdroje tepla, m Souč. rychlosti uvolň.tepla Vodorovná déla plamene, m Součinitel Tep. to na jedn. povrchu plochy t z L f θ z, C Q D z Q H L h y h & θ m h net Δθ a,t -1,15 E+ 1,5 E+ -1,14-1, ,4E- 1,48E- 1,5 4, 1 4, 1,4E-4-1,1-1,8 44,E-5 9 5,91E- 1, ,1E-4 5-1,1-1, 757,7E-5 5 1,E-5 1,55 18, ,91 7,18E-4 Teplota povrchu prvu, C Čistý tepelný to, Wm - Přírůste teploty průvlau, C 9, ,E , ,77 4,89 1,8E- 9, ,E , ,9,8 1,8E ,E , ,4 77 1,7E ,E , ,18 8,7 1,7E ,E , ,,8 1,E- Teplota průvlau, C Čas, min Obr. 5 Teplota nechráněného průvlau z profilu I vypočítaná po přírůstcích 5 s Porovnání s experimentem Řešený přílad přibližně popisuje zoušu ČVUT v Praze na objetu odstředive Čpavárny II v areálu osovny ittal Steel Ostrava dne Hlavním cílem pousu bylo prohloubení poznatů o teplotě sloupů při místním požáru, viz obr.. a

7 obr. 7. Obr. 8 uazuje rozvoj teplot v požárním úseu při loálním požáru. Porovnání vypočítané teploty průvlau pomocí analyticého modelu a naměřené teploty při zoušce je uázáno na obr.9. Výpočet odpovídá naměřeným geometricým a materiálovým charateristiám paliva. Termočláne TC1 byl umístěn na středu průvlau ne středu horního povrhu ramene pásnice, termočláne TG7 nad hranou hranice mm pod stropem. Je vidět, že předpověď teploty nosníu analyticým modele je výstižná a onzervativní. Při výpočtu teploty stropnice zónovým modelem se vychází z předpovědi teploty plynu v ohni a v požárním úseu, viz obr. 1. Výpočet v tomto případě vhodně zahrnuje i veliost požárního úseu. Zónový model velmi přesně předpovídá teplotu prvu v ose plamene. Pro průvla, terý je na raji plamene, byla jeho teplota stanovena jao průměr z teplot v plameni a mimo plamen, viz obráze 11. Půdorys Řez TC TG TC +9,5. NP TC TG TG TG TG7 TC1 55 m TC TC1 TG7 +,45. NP Obr. Poloha termočlánů při zoušce Obr. 7 Pohled na experiment před zoušou a v 15. min a 45. min požáru 7

8 8 Teplota, C Teplota plynu, TG7 8 Teplota průvlau, C TC1 Teplota průvlau, TC1 I Teplota stropnice, TC, TC I 18 Vypočteno Změřeno, TC1 Teplota stropnice, TC4, TC5 I Čas, min Čas, min Obr. 8 Teploty změřené při loálním požáru Obr. 9 Porovnání teploty průvlau vypočítané analyticým modelem s naměřenými hodnotami Teplota plynu, C Teplota průvlau, C 8 Změřeno v plameni, TG 8 Vypočteno v plameni Vypočteno mimo plamen Změřeno u průvlau TG Čas, min Změřeno, TC1 Vypočteno Čas, min Obr. 1 Teploty plynů vypočítané zónovým modelem a naměřené hodnoty v plameni a mimo něj Obr. 11 Teploty průvlau vypočítané zónovým modelem z průměru teplot plynu a plamene a naměřené hodnoty Řešený přílad - Chráněný nosní se ztrátou stability při ohybu Posuďte nosní I z oceli S 5 na požární odolnost R 9. Nosní je, viz obr. 1, zatížený osamělými břemeny, stálé zatížení G 1 N, proměnné zatížení Q 18, N. Proti požáru je nosní chráněn vermiulitovým nástřiem tloušťy d p 8 mm s hustotou ρ p 5 g/m, měrným teplem c p 11 J g -1 K -1 a tepelnou vodivostí λ p 1 W m -1 K -1. Stabilita tlačené pásnice nosníu je zajištěna v podporách a v místech zatížení. Pro nárůst teploty v požárním úseu použijte parametricou teplotní řivu se součinitelem Γ 5,791, maximální teploty je dosaženo v čase t max 1 minut (požár je řízený ventilací). 8

9 Posouzení za poojové teploty Charateristicá hodnota zatížení P G + Q 1, + 18, 4, N Návrhová hodnota zatížení je Pd G γg + Q γq 1, 15, + 18, 15, 48, 9 N a působící ohybový moment je Sd Pd c 48, 9, 55 14, 7 Nm. Průřez I je 1. třídy. G + Q G + Q I,55 m,55 m,55 m l 7,5 m Obr. 1 Posuzovaný nosní Pro výpočet součinitele příčné a torzní stability χ LT je rozhodující střední úse nosníu s délou,55 m. Pro loubové uložení nosníu na oncích tohoto úseu ( 1) a volnou deplanaci průřezu ( w 1) se určí riticý moment cr c 1 π E ( c) I z π , 8, 9 Nm I I w z w ( 1 55) + ( c) G I t π E I z 918, ( 1 55) , 1 π Poměrná štíhlost při ztrátě stability při ohybu je λ W cr f , 9 1 pl,y y LT 78 a odpovídající součinitel příčné a torzní stability se pro válcované průřezy určí na řivce b χ 7 LT omentová únosnost nosníu je 9

10 W f pl,y y pl,rd χ LT γ 7 1, 1, 5 Nm > 14, 7 Nm Průhyb nosníu uprostřed rozpětí δ 48 P E l I y 48 Nosní za poojové teploty vyhoví , 1 l, 4 mm < mm 5 Posouzení za požáru Reduční součinitel zatížení η fi se určí z poměru stálého a proměnného zatížení s ombinačním součinitelem ψ,1 pro mimořádnou ombinaci zatížení η g g + ψ γ G + q q γ Q 1, + 18, 1, 15, + 18, 15,,1 fi 49 Ohybový moment působící při požární návrhové situaci je η, 49 14, 7 54, Nm. fi,sd fi Sd 7 Teplotu plynů v požárním úseu popisuje parametricá teplotní řiva. Ve fázi rozvoje požáru je popsána vztahem θ g,t + 15 t 1, 7 t 19 t ( 1 4 e 4 e 47 e ) de se čas t v hodinách dosazuje jao náhradní čas t t t Γ 5, 791 t aximální teploty je dosaženo v čase t max tmax tmax Γ, 5 5, 791, 7 hod a maximální dosažená teplota plynů v požárním úseu je ,, , 7, θ, e, e max 151 C 7 7 ( 47 19,, e ) Ve fázi chladnutí je průběh teploty popsán vztahem (platí pro t max > ) θ θ 5 t t max x g,t max , 8 5 t ( ) ( t, 7 1) Pro požár řízený ventilací se použije součinitel x 1. r,5 t w 18 Součinitel průřezu vystaveného požáru ze čtyř stran t f 1, b 15 A p 1 (převzato z tabule) 149 m Obr. 1 V Průřez chráněný nástřiem r 1 11 t f h Sd 1

11 Teplota chráněného ocelového profilu se stanoví přírůstovou metodou s přírůsty Δt s, Δθ λ A / V θ θ d p c φ a ρa 1+ φ p p g,t a,t 1 Δt ( e 1) a,t de tepelná jímavost ochranného materiálu je c φ c p a ρ ρ p a d p A V p Δθ g,t, ale musí být Vývoj teploty v požárním úseu a teploty nosníu je na obr. 14. Δθ a,t Teplota, C Teplota plynu v požárním úseu θ a 554 C Teplota chráněného nosníu I t 4 min Čas, min Obr. 14 Vývoj teploty v požárním úseu a chráněném nosníu I Tab. Výpočet teploty onstruce Čas t θ g c a ø Δθ a,t θ a,t min:s hod C J g -1 C -1 C C : : : , : , ,, : 19 71, ,5 5,5 41: 4, , ,9 4: 4,57 54, ,4 4: 4, , ,1 4: 4, , ,8 4: 4, , ,4 44: 4,47 495, ,9 89: 8, , 1, 9: 8, ,1 8,1 9: 8, ,1 5, 11

12 Pro lasifiaci průřezu za zvýšené teploty se použije součinitel ε Zatřídí se stojina d tw a pásnice c t f 5 5, f 5 y 41,, 4 < 7 ε 1, 1. třída ,, 84 < 9 ε 7, 5 1. třída. 1, Průřez je i při požáru možno zařadit do 1. třídy. Pro posouzení průřezu je rozhodující nejvyšší teplota dosažená během požadované doby požární odolnosti. aximální teplota θ a 554ºC byla dosažena v čase t 4 minut. Reduční součinitele meze luzu a modulu pružnosti pro teplotu jsou: y,θ 7 E,θ 48 Štíhlost při ztrátě stability v ohybu určená pro tuto teplotu je λ 7, y, θ LT, θ λlt E, θ Součinitel příčné a torzní stability χ LT,fi pro parametr ε 5 5, f 5 y je φ χ 1 + α λlt, θ + λlt, θ LT, θ , LT, fi φ LT, 11, + 11, 89 LT, θi + φlt, θ λ θ oment únosnosti nosníu za požáru W f pl,y y, θ y b, fi,t,rd χ LT, fi 519 5, 4 Nm > 54, 7 Nm γ, fi 1, Nosní vyhovuje, protože moment působící za požáru je menší než únosnost průřezu. fi,sd 1

13 7 Shrnutí Norma ČSN EN přináší ve spojení se souvisejícími normami, především s normou pro navrhování onstrucí ČSN EN , styčníů ČSN EN a zatížení onstrucí při požáru ČSN EN , ucelený návod pro navrhování a posuzování onstrucí na účiny požáru. Noviny zařazené do normy, např. navrhování průřezů 4. třídy, vlastnosti spojovacích prostředů, teplota ve styčnících, umožňují úplné posouzení ocelových onstrucí vystavených požáru pomocí jednoduchých výpočetních modelů. Pro navrhování specificých prvů, jao jsou prolamované nosníy, trapézové plechy ve střešních a obvodových pláštích atd., se využívají zpřesněné výpočetních modely, teré lze pro zvýšení eonomie návrhu výhodně doplnit experimenty. 8 Oznámení Práce, terá prezentuje výsledy práce na výzumném záměru No. 1579, vznila v rámci projetu Celoživotní vzdělávání v požární ochraně, JPD HP CZ.4..7/..1./91, terý je podpořen z ESF, státního rozpočtu ČR a rozpočtu HPH, výstupy viz URL: viz [7]. 9 Literatura [1] ČSN EN : Zatížení onstrucí, Obecná zatížení, Zatížení onstrucí vystavených účinům požáru, ČSNI, Praha 4. [] ČSN EN : Navrhování ocelových onstrucí, Obecná pravidla, Navrhování onstrucí na účiny požáru, ČSNI, Praha. [] Wald F. a ol.: Výpočet požární odolnosti stavebních onstrucí, Česé vysoé učení technicé v Praze, Praha 5, s., ISBN [4] Kallerová P., Wald F.: Požární zouša na sutečném objetu, Dílčí výzumná zpráva, CIDEAS, ČVUT v Praze, Praha, 18 s., URL: [5] Wald F. a ol.: Výpočet požární odolnosti stavebních onstrucí, Česé vysoé učení technicé v Praze, Praha 5, s., ISBN [] Rázl R., Wald F.: Teplota onstruce při loálním požáru, Dílčí výzumná zpráva, CIDEAS, ČVUT v Praze, Praha, s., URL: [7] Wald F., Sool, Z.: Zatížení onstrucí podle ČSN EN : 4, v Navrhování onstrucí na účiny požáru podle evropsých norem 1. vyd. Praha: Česé vysoé učení technicé v Praze, 7, 14 s., ISBN