Účinné vlastnosti ožárně ochranných materiálů Přesnost výočtu řestuu tela do ožárně chráněných konstrukcí je založena na vhodné volbě teelných vlastností ožárně ochranných materiálů. řísěvku je ukázáno stanovení efektivní tloušťky zěnitelného nátěru na základě zkoušky. Úvod Při návrhu konstrukce na účinky ožáru se od modelování rozvoje teloty v ožárním úseku okračuje výočtem řestuu a rozvoje tela v konstrukci k návrhu rvků konstrukce za zvýšené teloty. Nevýhodou ocelových konstrukcí ři vystavení ožáru je teelná vodivost oceli, λ a = 45 W m -1 K -1, která je nař. u lehkého betonu λ c = 0,80 W m -1 K -1. ýhodou je konstrukční celistvost srávně navržené konstrukce, to je její odolnost roti rogresivnímu kolasu. Požární odolnost konstrukcí lze stanovit s různou řesností/náročností na vstuní data. Nejjednodušeji se odolnost ověří omocí tabulek, řesnější jsou analytické návrhové modely a nejřesněji lze skutečnost vystihnout diskrétními modely MKP. Zatímco rvní dvě metody se v raxi běžně oužívají, zůstává návrh omocí diskrétních metod v oblasti vývoje a výzkumu. Pro stanovení řestuu tela omocí tabulek se výsledky testů odle soustavy ředběžných norem EN 13381 interolují, ro ocelové konstrukce odle ČSN P EN 13381-4: 3, viz [1]. Přestu tela do konstrukčních rvků lze sočítat s dobrou řesností řírůstkovou metodou odle ČSN EN 1993-1-2: 6, viz [2], která je založena na využití exerimentálního oznání, jak ukazuje dále tento řísěvek. Nosnou konstrukci lze roti ožáru zastínit nebo teelně izolovat ožárně ochranným materiálem. Chrání se obetonováním, nástřikem, obkladem a zěnitelnými nátěry. Požárně ochranný materiál musí, kromě teelné izolace, slňovat ožadavky na celistvost za ožadovaných telot. minulosti se ro ze čtyř stran exonované růřezy tloušťka ochranných materiálů navrhovala na telotu konstrukce 550 C (620 C ro růřezy exonované ze tří stran) ro nárůst teloty odle nominální normové telotní křivky lynu v ožárním úseku. Pro tyto teloty a ro stueň využití μ 0 = 0,60 je vyracována většina ublikovaných tabulek, nař. [3]. Tab. 1 Nominální vlastnosti ožárně ochranných materiálů, viz [4] Teelně izolační materiál 1 Hustota ρ Obsah vlhkosti u % Teelná vodivost λ W m -1 K -1 Měrné telo c J kg -1 K -1 kg/m 3 Nástřiky minerální vlákna 300 1 0,12 1 vermikulit 350 15 0,12 1 erlit 350 15 0,12 1 Hutné nástřiky vermikulit/erlit a cement 550 15 0,12 1100 vermikulit/erlit a sádra 650 15 0,12 1100 Desky vermikulit/erlit a cement 15 0,20 1 vláknité silikátové/váenosilikátové 3 0,15 1 vláknité silikátové/váenosilikátové s cementem 5 0,15 1 sádrové desky 20 0,20 1700 sádrové se silikátovými/minerálními/čedičovými vlákny 150 2 0,20 1 Zěnitelné nátěry 100 0 0,10 1 Beton běžný 2300 4 1,60 1000 lehký 1 5 0,88 840 Zdivo z dutých cihel 1000 8 0,40 1 z lných cihel 0 8 1,20 1 z betonových bloků 2 8 1,00 1 Přestu tela do chráněné ocelové konstrukce Přírůstek teloty Δθ a,t v rvku v časovém intervalu Δt se odle normy ČSN EN 1993-1-2: 6 [2] vyočte z rovnováhy tela řicházejícího z ožárně ochranné vrstvy s telem kumulovaným v ožárně izolačním materiálu a v ocelovém rvku jako λ A / θg,t θa,t φ / 10 Δ θa,t = Δt ( e 1) Δθg,t ale Δθ a,t > 0 (1) d c ρ 1+ φ / 3 a a c ρ A kde φ = d, λ je teelná vodivost ožárně ochranného materiálu v W m -1 K -1 ; A / součinitel růřezu ro rvky s ožárně ochranným materiálem v m -1. ýraz nelze oužít ro A / menší než 10 m -1 a ro hodnoty nad 350 m -1 již nemá řešení raktický význam, rotože θ a,t θ g,t. Symbol d je oužit ro tloušťku ožárně ochranného materiálu v m; ρ ro hustotu ožárně ochranného materiálu v kg/m 3 ; c ro měrné telo ožárně ochranného materiálu v J kg -1 K -1 ; c a ro měrné telo oceli, Δθ g,t ro řírůstek okolní teloty během časového intervalu Δt v s, který se nemá uvažovat větší než 30 s. Pro rvky izolované ožárně ochranným materiálem záleží nárůst teloty na vztahu A /, kde A je vnitřní locha izolačního materiálu a na teelných vlastnostech materiálu chránícího konstrukci, zejména na teelná vodivosti a tloušťce. Konzervativní odhad
hodnot odle [4] je shrnut v tab. 1. Na obr. 1 je zobrazena závislost teloty ocelového rofilu izolovaného ožárně ochranným materiálem θ a,t na době trvání ožáru t vyočtená odle (1) ro nominální normovou telotní křivku a ro různé součinitele růřezu izolovaného ožárně ochranným materiálem ( A / )( λ / d) ve W K -1 m -3 s řírůstky času Δt = 30 s. Teelná jímavost ožárně ochranného matriálu je zanedbána, tj. c ρ A ředokládá se c ρ 0, neboli φ = d 0. Šikou je označeno, že v čase 60 min dosáhne rvek vystavený ohřevu odle nominální normové křivky se součinitelem chráněného růřezu 1500 W K -1 m -3 teloty 575 C. 700 Telota, C 5000 4500 0 3500 3000 2500 500 300 0 1500 1000 300 100 A 100 c ρ A φ = d = 0 d 0 0 30 60 90 120 150 λ -1 W K m -3 Čas, min Obr. 1 Závislost teloty ocelového rofilu izolovaného ožárně ochranným materiálem θ a,t A / λ / d v W K -1 m -3, na době trvání ožáru t, ro součinitele růřezu ( ) ( ) nominální normová telotní křivka, řírůstky Δt = 30 s, konzervativně c ρ 0 = Obr. 2 zorky v eci řed zkouškou, odle [6] 2
Obr. 3 Pohled do ece okénkem o naěnění nátěrů ve 26. min zkoušky, viz [6] Obr. 4 Detail zěnitelného nátěru o zkoušce, viz [6] Efektivní tloušťka zěnitelného nátěru Jednou z možností ožární ochrany konstrukcí jsou zěnitelné nátěry, které se využívají od roku 1938, kdy byly orvé ve elké Británii certifikovány. osledních deseti letech jejich cena výrazně oklesla a ro odlažní budovy se staly alternativou ožárních obkladů, nástřiků i ochranou obetonováním a získaly až 40 % trhu, viz [5]. Nátěry se zhotovují na staveništi (asi 65 %) a ve výrobnách. Objem nátěrů rováděných ve výrobnách roste, viz [4]. Tyto nátěry méně zatěžují životní rostředí, umožňují ochranu konstrukce ihned o namontování, zjednodušují montážní roces, snazší kontrolou je dosahována vyšším kvalita, což se odráží v nižší ceně. Tloušťka zěnitelného nátěru se ři zvýšení teloty na až C násobně zvýší a zuhelnatěná ěna teelně chrání konstrukci. Složení nátěrů dostuných na trhu se ustálilo. Nátěry kromě ředidla a ojiva obsahují aktivátor, karbonizující složku a zěňovadlo. Za zvýšené teloty ojivo měkne, aktivátor se rozkládá na organickou kyselinu, která karbonizuje naříklad škrob a zěňovadlo znásobuje objem nátěru. Nátěry šetrné k životnímu rostředí se ředí vodou. Tenké zěnitelné nátěry s ojivem na bázi akrylátů jsou navrženy ro využití v interiérech a obvykle mají tloušťku do 5 mm. Požárně chrání konstrukci od 30 do 120 min. Nejčastěji je ožadována ochrana do 60 min. Nátěry se rovádějí na rotikorozní ochranu a oatřují se ohledovou vrstvou. Pro využití v exteriérech se nátěry chrání ochrannou vrstvou. Nátěry se nanášejí stříkáním, štětcem nebo válečkem. Tlusté nátěry, s tloušťkou do 20 mm, s ojivy z eoxidových ryskyřic se alikují na ochranu exteriéru zvláště exonovaných staveb, nař. těžních lošin. Přesnost výočtu řestuu tela do ožárně chráněných konstrukcí je založena na využití materiálových charakteristik, které se stanovují z výsledků zkoušek odle ČSN P EN 13381-4 [1]. Postu řešení lze sledovat na návrhu účinné tloušťky zěnitelného nátěru, jehož skutečná tloušťka se ři zěnění zvětší asi adesátkrát. Naříklad ro nátěr PROMAPAINT SC jsou výsledky zkoušek na otevřených a uzavřených růřezech dokumentovány v [6]. Obr. 2 zachycuje vzorky v eci řed zkouškou. Na obr. 3 je ohled do ece okénkem o naěnění nátěrů ve 26. min zkoušky. Detail zěnitelného nátěru o zkoušce je dokumentován na obr. 4. Na základě zkoušek ro tři tloušťky nátěru, tj. nejmenší, střední a největší tloušťku, byly řiraveny tabulky na návrh ožární ochrany, viz v [7]. Z výsledku zkoušky ro vzorky č. 12; 16 a 17 byly ro R60 stanoveny efektivní tloušťky d,eff ro hodnoty hustoty ρ = 350 kg m -3 ; teelné vodivosti λ = 0,20 W m -1 K -1 a měrného tela c = 1100 J kg -1 K -1 nátěru. Tloušťky byly ověřeny na zbývajících měřeních na otevřených růřezech, tj. vzorcích 10; 11; 13; a 14. Obr. 5 dokumentuje dobrou shodu ředovědi teloty rvku s exerimentem ro ověřovací vzorky č. 10 a 11. Pro nejmenší tloušťku nátěru d dry,min = 470 µm byla stanovena d,eff = 8 mm, ro střední tloušťku nátěru d dry,cent = 1 µm d,eff = 18 mm a ro největší dooručovanou tloušťku nátěru, tj. d dry,max = 2500 µm, d,eff = 20 mm. Na obr. 6 jsou ve výrazných bodech orovnány relativní teloty θ a /1000 stanovené výočtem s výsledky zkoušek. Přímky + 5 % a - 5 % označují řekročení/nedosažení změřené teloty. Je vidět, že ro 15 a 30 min je odhad značně konzervativní. 3
Telota, C Nominální normová telotní křivka Změřená telota lynu, viz [6] 500 C C Hodnota v tabulce, viz [7] C Změřená telota vzorku č. 10, viz [6] Profil HEA 300, nátěr 470 µm Počátek zěňování nátěru Telota vzorku vyočítaná odle ČSN EN 1993-1-2: 6 0 0 15 30 45 60 Čas, min Obr. 5 Porovnání vyočtené a změřené teloty vzorku č. 10, ro nejmenší tloušťku nátěru 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Relativní telota ři exerimentu, θ a,ex /1000 vz. 11; HEA 300; d = 20 mm + 5 % vz. 13; HEA ; d = 20 mm vz. 17; IPE 100; d = 20 mm vz. 14; IPE ; d = 18 mm vz. 16; IPE 100; d = 18 mm vz. 10; HEA 300; d = 8mm vz. 12; HEA ; d = 8 mm R30 R45 R60-5 % 0,2 R15 0,1 0,0 Relativní telota výočtem, θa,l/1000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Obr. 6 yočtené a změřené relativní teloty ve významných bodech Shrnutí Při výočtu řestuu tela do ožárně chráněných konstrukcí se vychází z exerimentálně ověřených dob celistvosti rvků ožární ochrany. Telotní vlastnosti lze uvažovat konzervativně nominálními hodnotami z tabulek nebo řesněji vyhodnocením zkoušek, viz [8]. Práce dokládá dobrou řesnost ředovědi ro daný zěnitelný nátěr. Pro jiné hodnoty tlouštěk nátěru lze efektivní tloušťku získat lineární interolací mezi hodnotami nominálními tloušťkami suchého nátěru a efektivními hodnotami. OZNÁMENÍ Práce byla vykonána v rámci ýzkumného centra CIDEAS s odorou Ministerstva školství rojekt č. 1M0579. Autoři by rádi vzomněli řísěvku Mgr. ladimíra Háa, který ráci inicioval. ýstuy ale již nemohl zkonzultovat, rotože tři dny řed dokončením v letě 6 tragicky zahynul. Literatura [1] ČSN P EN 13381-4: Zkušební metody ro stanovení řísěvku k ožární odolnosti konstrukčních rvků, Použitá ochrana ocelových rvků, ČSNI, Praha 3. [2] ČSN EN 1993-1-2: 6, Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná ravidla, Navrhování konstrukcí na účinky ožáru, ČNI, Praha, 6. 4
[3] ASFP: Fire rotection for structural steel in buildings, Association for Secialist Fire Protection, London 2, 156 s., ISBN 1-870409-20-5. [4] Wald F. a kol.: ýočet ožární odolnosti stavebních konstrukcí, České vysoké učení technické v Praze, Praha 5, 336 s., ISBN 80-0103157-8. [5] Newman L.C., Dowling J.J., Simms W.I.: Structural fire design: Off-side alied thin film intumescent coatings, Second edition, SCI P160, 39 s., ISBN 1-5942-162-8. [6] Louma M.: Protokol o zkoušce ožární odolnosti, Pavus a.s., rotokol č. Pr-06-2.019, eselí nad Lužnicí, 6, s. 35. [7] Katalog materiálů, Promat, Praha 5, URL: www.romat.cz [8] ZHAO B.: Exerimental results of fire test of steel members with intumescent coatings, Project 7215-PR- 191, CTICM Paříž, 2. Wald F., Strejček M. URL: www.fsv.cvut.cz/~wald/ 5