Ocelové konstrukce požární návrh

Transkript

1 Ocelové konstrukce požární návrh František Wald Zdeněk Sokol,

2 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

3 Úvod Grafy zjednodušené modely Jednoduché inženýrské modely Metoda konečných prvků 3 Návrh požární odolnosti konstrukce Evropské normy Teplotní analýza požárního úseku ČSN EN : 2004 Přestup a vedení tepla v konstrukci ČSN EN : 2004 Návrh konstrukce za zvýšených teplot Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

4 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

5 5 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

6 6 Požárně nechráněné prvky Metoda konečných prvků Přírůstková metoda Přímý výpočet Teplota, C 1000 Teplota plynů v požárním úseku vypočítaná parametrickou teplotní křivkou Nominální normová teplotní křivka Teplota nosníku vypočítaná z nominální normové teplotní křivky Teplota nosníku přibližným přímým výpočtem vypočítaná z nominální normové teplotní křivky Teplota nosníku vypočítaná z parametrické teplotní křivky IPE 360 A m /V = 360 m A t = 360 m 2 A f = 100 m 2 b = 1500 J/m 2 s 1/2 K q f,d = 600 MJ/m 2 O = 0,07 m 1/2 Čas, min

7 7 Přírůstková metoda Přírůstek tepla v časovém úseku - nárůst teploty prvku h& net h & net A m t = ρ a čistý tepelný tok na plochu c a V θ Am plocha povrchu prvku, ρa hustota oceli, ca měrné teplo oceli V objem prvku na jednotku délky Vnormě (EN : 2004) ve tvaru Am / V θ a,t = k sh hnet, d t c a ρ a součinitel průřezu (povrch / objem) Am/V součinitel zastínění ksh = 0,9 (Am/V)b/(Am/V) a

8 8 Součinitel průřezu Am/V Čas, Součinitel t, min průřezu nad 350 nemá praktický A m / V = 10 m -1 význam Vliv nelineární změny měrného tepla Nominální normová teplotní křivka Teplota, θ a,t, C Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

9 9 Porovnání s experimentem v Cardingtonu Teplota nosníku, C 1200 Předpovězeno z parametrické tepl. křivky 1000 D2 E2 Nosník Změřeno Dolní pásnice Požární úsek S 400 D1 E Předpovězeno ze změřené teploty plynu Čas, min Změřeno 1088 C v 57 min; Vypočteno 1067 C v 54 min Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

10 10 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

11 11 Požárně chráněné prvky MKP Přírůstková metoda Přímý výpočet Ap /Vsoučinitel průřezu pro prvky s ochranným materiálem Teplota, C IPE Nominální normová teplotní křivka Zpoždění odpařením vody 100 C 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 Teplota nosníku přírůstkovou metodou Vliv vlhkosti v ochranném materiálu Čas, min

12 12 Vliv součinitele průřezu Ap/V a tep. izol. λp/dp Teplota, C Nominální normová teplotní křivka Součinitel požárně chráněného průřezu A p λ p c p ρ p A p W K m φ = d p = 0 V dp ca ρ a V Čas, min V grafu zanedbána tepelná jímavost požárně ochranného materiálu

13 13 Porovnání s experimentem v Cardingtonu D2 E2 Teplota, C N Teplota plynu změřeno D1 E Vnitřní sloup výpočet Vnitřní sloup změřeno D Čas, min

14 14 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

15 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 Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

16 16 Odolnější při 600 C 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Redukční součinitel k E,FRS275N, θ k E,q (uhlíková ocel) k FRS275N, θ (požárně odolná ocel) k y, θ (uhlíková ocel) 0, Teplota, C

17 17 Nerezové oceli 1 0,9 0,8 Redukční součinitel, k ij, θ k y, θ (uhlíková ocel) 0,7 0,6 0,5 k p,14301, θ k E,1.4, θ 0,4 0,3 0,2 0,1 0 k u,14301, q (austenitické oceli) k u,14303, θ k p,14303, θ Teplota θ a, C

18 18 Litina 1 Redukční součinitel, k ij, θ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Uhlíková ocel k y,θ k ci, θ 0,3 0,2 Litina 0, Teplota θ a, C

19 19 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

20 20 Výpočetní modely Kritická teplota Napětí, MPa Únosnost prvku (styčníku) 1 Stupeň využití průřezu, µ 0 Odezva zatížení při mimořádné situaci Zhroucení 0,8 0,6 0,4 Rezerva únosnosti 0,2 Kritická teplota Teplota, C Kritická teplota Teplota, C

21 21 Kritická teplota θ a,cr µ , 19 ln , 9674 µ 0 =, Stupeň využití průřezu µ 0 = E R fi,d fi,d, θa, cr, FRS275N = 15,81ln , 124 0,9999 µ 0 Účinek zatížení při požární situaci Únosnost při požární situaci při normální teplotě

22 22 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

23 23 Návrh sloupu za požáru θ g Nerovnoměrné zahřívání θ g θ g θ a UC 203x203x52, S 275 Rovnoměrné zahřívání průřezu tlačeného prvku 0,1 θ a Nerovnoměrné zahřívání průřezu tlačeného prvku 0,2 θ a θ g θ a λ = 40; F c,d = 514 kn λ = 150; F c,d = 550 kn θ g θ a λ = 40; F c,d = 615 kn λ = 150; F c,d = 198 kn Ohřev konstrukce Teplotní deformace sloupu Teplotní deformace nosníku Excentricita účinků zatížení δ

24 24 Redukce vzpěrných délek za požáru lfi l fi,4 = 0,7 L 4 L 4 L 3 l fi,2 = 0,5 L 2 L 2 l = 0,7 L fi,1 1 L 1

25 25 Návrh sloupu za požáru Omezit štíhlost na 150 Většinou nutno požárně chránit Rovnoměrně izolovat Nové poznatky Součinitel vzpěrnosti za požáru dříve přibližně χ / 1,2 20 C χ fi

26 26 Součinitel vzpěrnosti za požáru Součinitel vzpěrnosti, χ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Zvýšená teplota α = 0,65; 300 C χ 400 C fi 500 C 600 C 700 C 800 C Pokojová teplota 0,0 0,5 1,0 1,5 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 Poměrná štíhlost, λ

27 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

28 Průřezy třídy 4 Kritická teplota, θa,cr, C 800 Prvky s průřezy třídy 1, 2 a MKP a experimenty Analyticky a experimenty Kritická teplota Tažené prvky za studena tvarované Nosníky s průřezy třídy 4 Sloupy s průřezy třídy Stupeň využití 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 µ 0

29 29 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

30 30 Teplota přípojů Koncentrace hmoty Chladnější oblast Předpověď teploty ze součinitele průřezu z teploty dolní pásnice Ocelobetonová/betonová deska a < 400 mm 0,62 a > 400 mm 0,70 h 0,75 0,88 h h 0,88 0,88 Teploty dolní pásnice ve středu nosníku

31 31 Porovnání s experimentem v Cardingtonu Teplota plechu přípoje, C Předpovězeno z teploty plynu podle součinitele průřezu Předpovězeno z teploty dolní pásnice D2 E Změřeno D1 E Čas, min.

32 32 Únosnost spojovacích prostředků 1 Redukční součinitel, k ij, θ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 k w, θ svary k y,θ uhlíková ocel 0,3 0,2 0,1 0 k b, θ šrouby Teplota θ a, C

33 33 Metoda komponent za zvýšené teploty φ M z 50 0 Moment, M,kN ºC 500ºC 600ºC 700ºC 800ºC 20 ºC Natočení, φ,mrad

34 34 Příklad návrhu požárně odolného přípoje Millennium Tower, Vídeň

35 35

36 36 Realizace

37 37 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 Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

38 38 Řešené příklady 4.4 Příklady výpočtů str Nosník, návrh pomocí grafu Nosník, ověření z hlediska času Nosník z oceli FR30, ověření z hlediska únosnosti Nosník, ověření z hlediska teploty Nosník, parametrická teplotní křivka Nosník se ztrátou stability Sloup patrové budovy Přípoj nosníku ke sloupu Spoj pásu vazníku 237

39 39 Nosník, parametrická teplotní křivka Návrh za pokojové teploty Posouzení za pokojové teploty q g 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) IPE 270 L = 6,2 m

40 40 Parametrická teplotní křivka (Příklad na str.74) Teplota plynů v požárním úsekuθ g,t ve fázi rozvoje požáru se určí ze vztahu * * * 0, 2 t 1, 7 t 19 t θ = , 324 e 0, 204 e 0, 472 e g,t ( ) kde náhradní čas plného rozvinutí požáru t * se stanoví z času t max dosazeného v hod t * = Γ t = 1, 346 t * t = Γ t = 1, 346 0, 25 0, 3365 max max = a ve fázi chladnutí, pro požár řízený palivem x = 1, * * θ = θ 625 t t x pro t * max 0, 5 g,t max ( ) max Nejvyšší teplota plynů nastane v čase t max a je rovna 0, 2 0, = ,,, θ, e, e 0, 472 e = C g,t ( ) 790

41 41 Výpočet teploty požárně chráněného ocelového průřezu Tabulkovým procesorem Čas min t* h θ g C J kg -1 C -1 ø θ a,t C θ a,t C 0: , ,0 0:30 0, , ,113 0,0 20,0 1:00 0, , ,113 0,0 20,0 1:30 0, , ,113 1,0 21,0 2:00 0, , ,113 2,0 23,0 2:30 0, , ,112 2,8 25,7 3:00 0, , ,112 3,4 29,1 c a 48:30 1, , ,087 0,2 311,7 49:00 1, , ,087 0,1 311,8 49:30 1, , ,087 0,1 311,9 50:00 1, , ,087 0,0 311,9 50:30 1, , ,087 0,0 311,9 51:00 1, , ,087-0,1 311,8 51:30 1, , ,087-0,1 311,7 89:00 1, , ,061 2,0 654,7 89:30 2, , ,060 2,0 656,7 90:00 2, , ,060 2,0 658,7 90:30 2, , ,060 2,0 660,6 91:00 2, , ,059 2,0 662,6

42 42 Teplota, C Teplota v požárním úseku θ a = 311,9 C Teplota nosníku IPE 270 chráněného zpěnitelným nátěrem 200 Nejvyšší teplota nosníku t = 50 min Čas, min Momentová únosnost pro odpovídající redukční součinitel účinné meze kluzu k y,θ = 1,0 M f y = W k = , 1331, knm pl,rd y,θ γ 10, = fi,θ,rd M,fi Únosnost se ještě zvětší vlivem zakrytí nosníku ocelobetonovou deskou; κ 1 = 0,7, κ 2 = 1,0; M fi,θ,rd 1331, M fi,t,rd = = = 1901, knm > 50,7 knm = M fi,sd κ1 κ2 0, 7 10, Navržený průřez IPE 270 vyhovuje.

43 43 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

44 44 Shrnutí návrhu na grafu ECCS Kritická teplota Součinitel pož. nechráněného průřezu Součinitel nerovnoměrného rozdělení teploty ,7. 0, ,7 0, , Součinitel pož. chráněného průřezu Stupeň využití průřezu 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Čas, min. 120

45 Děkuji za pozornost,