DIF SEK ČÁST 1 TEPELNÁ & MECHANICKÁ ZATÍŽENÍ DIF SEK Část 1: Tepelná & mechanická Zatížení 0/ 50
Vývoj RFCS projektu DIFISEK+ This project is funded by the European Commission in the frame of the Research Fund for Coal and Steel The aim of DIFISEK+ is to promote different projects of the last decades d that t dealt with fire engineering i and, which h results have been implemented in the EN 1991-1-2. This objective will be reached trough seminars held in different European countries. The partnership of the project is as follows: University of Hannover Institute for Steel Construction 1/ 50
Témata Část 1: Tepelná & mechanická zatížení Část 2: Teplotní odezva Část 3: Mechanická odezva konstrukcí při požáru Část 4: Software pro požární návrh Část 5a: Řešené příklady Část 5b: Ukázky dokončených projektů 2/ 50
Stanovení požární odolnosti Θ Zatížení 1: Vzplanutí Ocelové sloupy čas 2: Tepelná zatížení 3: Mechanická zatížení R 4: Teplotní odezva čas 5: Mechanická odezva 6: Případný kolaps 3/ 50
Tepelné zatížení na konstrukci Spřažený nosník exponovaný ze 3 stran Sloup exponovaný ze 4 stran 4/ 50
Přestup tepla do konstrukce h = + net, = h& h& net,c & + net r Čistý tepelný tok vlivem sálání Čistý tepelný tok vlivem proudění Celkový čistý ý tepelný tok Exponovaná strana Neexponovaná strana 5/ 50
Požární návrh konstrukcí a jejich klasifikace Normativní pravidla normový požár Přístup založený na vlastnostech přirozený požár klasifikace požární návrh konstrukce požární návrh konstrukce požární návrh konstrukce 6/ 50
Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru ČSN EN 1991-1-2 Normativní pravidla Postupy navrhování Normativní pravidla Přístup založený na vlastnostech t Tepelné zatížení dáno nominálním požárem Tepelné zatížení dáno fyzikálně 7/ 50
Nominální teplotní křivka *) Nominální teplotní křivka Normová teplotní t křivka, k Křivka vnějšího Nejsou potřebné požáru, Uhlovodíková křivka žádné údaje *) Zjednodušené modely požáru Lokalizovaný požár Prostorový požár - HESKESTADT - HASEMI Rychlost uvolňování tepla -Parametrická teplotní křivka θ (t) rovnoměrná pro celý θ (x, y, z, t) požární úsek Vlastnosti ti Povrch odhořívání ohraničujících konstrukcí Plocha otvorů *) Pokročilé modely ypožáru - Dvouzónový model - Jednozónový model - Kombinace dvou and jednozónového modelu požáru -CFD Výška stropu + Přesná geometrie 8/ 50
Definice nominální normové teplotní křivky Nominální normová křivka EN 1364-1 (ISO-834 ) 800 T = 20 + 345 log (8 t + 1) 1200 θ [ C] 1110 1000 1049 1006 Nominální normová křivka 945 600 400 200 842 * Je v CELÉM úseku uvažována stejná, i když je úsek rozměrný * Nikdy NEKLESÁ 0 0 30 60 90 120 180 ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO Čas [min] * Neuvažuje fázi před prostorovým VZPLANUTÍM * Nezávisí na POŽÁRNÍM ZATÍŽENÍ a podmínkách VENTILACE 9/ 50
Fáze přirozeného požáru a nominální normové teplotní křivky Teplota Rozhořívání Plně rozvinutý požár 1000-1200 C Celkové vzplanutí Teplotní křivka přirozeného požáru Nominální normová teplotní křivka ISO834 Zapálení - Doutnání Zahřívání Čas Chladnutí. 10 / 50
Požární ochrana konstrukce nástřikem 11 / 50
Požární ochrana konstrukce částečným obetonováním nosníků a sloupů DIF SEK 12 / 50 Část 1: Tepelná a mechanická zatížení
Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru ČSN EN 1991-1-2 Normativní předepsaná pravidla Postupy Navrhování Normativní pravidla Tepelné zatížení dáno nominálním požárem Přístup založený na vlastnostech Tepelné zatížení dáno fyzikálně DIF SEK Část 1: Tepelná & mechanická Zatížení 13 / 50
Požární návrh konstrukce 1200 θ [ C] 1000 800 600 400 200 0 0 30 60 90 120 180 Čas [min] Zavedeno v: ČSN EN 1991-1-2 Některé národní přílohy zahrnují alternativní požadavky založené na přirozeném požáru 14 / 50
NFSC Valorisation Project 15 / 50
Model přirozeného požáru *) Nominální teplotní křivka Normová teplotní t křivka, k Křivka vnějšího Nejsou potřebné požáru, Uhlovodíková křivka žádné údaje *) Zjednodušené modely požáru Lokalizovaný požár Prostorový požár - HESKESTADT - HASEMI Rychlost uvolňování tepla -Parametrická teplotní křivka θ (t) rovnoměrná pro celý θ (x, y, z, t) požární úsek Vlastnosti ti Povrch odhořívání ohraničujících konstrukcí Plocha otvorů *) Pokročilé modely ypožáru - Dvouzónový model - Jednozónový model - Kombinace dvou and jednozónového modelu požáru -CFD Výška stropu + Přesná geometrie 16 / 50
Přehled fyzikálních parametrů pro model přirozeného požáru Vlastnosti ohraničujících konstrukcí Výška stropu Plocha otvorů Povrch odhořívání Rychlost uvolňování tepla Geometrické parametry Parametry požáru 17 / 50
Charakteristiky požárního úseku Požární úsek je obklopen protipožárními konstrukcemi, které jsou definovány v normě Materiálové vlastnosti požárně dělících konstrukcí: c, ρ, λ Plocha okenních otvorů 18 / 50
Charakteristické hodnoty pro různé provozy Provoz Rychlost rozvoje požáru RHR f [kw/m²] Hustota požárního zatížení q f,k 80% kvantil [MJ/m²] Byty Střední 250 948 Nemocnice (pokoje) Střední 250 280 Hotely (pokoje) Střední 250 377 Knihovny Velká 500 1824 Kanceláře Střední 250 511 Školní třídy Střední 250 347 Nákupní centra Velká 250 730 Divadla (kina) Velká 500 365 Doprava (veřejné prostory) Nízká 250 122 19 / 50
Návrhová hodnota hustoty požárního zatížení Compartment Danger of Fire Activation floor area A f [m²] δ 25 250 2500 5000 δ q1 1,10 1,50 1,90 2,00 Danger of Fire Activation δ q2 0,78 1,00 1,22 1,44 10000 2,13 1,66 = δ ni Function δ of δ Active. Fire Safety δmeasures. m. f, d q1 q 2 ni q. Examples of Occupancies Art gallery, museum, swimming pool Residence, hotel, office Manufactory for machinery & engines Chemical laboratory, Painting workshop Manufactory of fireworks or paints Automatic Fire Suppression Automatic Fire Detection Manual Fire Suppression q f, k Automatic fire Automatic Automatic Independent Water Water Detection Alarm Extinguishing Supplies & Alarm Transmission System by by to 0 1 2 Heat Smoke Fire Brigade δ n1 δ n2 δ n3 δ δ n4 n5 Work Fire Brigade Off Site Fire Brigade Safe Access Routes Fire Fighting Devices δ n6 δ n7 δ n8 δ n9 Smoke Exhaust System δ n10 0,61 0,87 or 0,73 0,87 1,0 0,87 0,7 0,61 or 0,78 0,9 or 1 1,5 1,0 1,5 1,0 1,5 20 / 50
Křivka rychlosti uvolňování tepla: ustálený stav a fáze útlumu hoření 0 RHR [MW] RHR [MW] W] 10 9 108 9 7 8 6 7 5 6 4 5 3 4 2 3 1 2 Ustálený Fáze stavrozvoje Velmirychlý A f x RHR Rychlý Požár řízený palivem A f Decay phase f Střední x RHR f Požár řízený ventilací Pomalý 75'' 150'' 300'' Fáze 600'' útlumu hoření t [min] 70% (q f,d A1 0 fi ) 0 5 10 15 20 25 30 t [min] 0 0 5 10 15 20 t útlum Čas [min] 21 / 50
Zjednodušený model přirozeného požáru *) Nominální teplotní křivka Normová teplotní t křivka, k Křivka vnějšího Nejsou potřebné požáru, Uhlovodíková křivka žádné údaje *) Zjednodušené modely požáru Lokalizovaný požár Prostorový požár - HESKESTADT - HASEMI Rychlost uvolňování tepla -Parametrická teplotní křivka θ (t) rovnoměrná pro celý θ (x, y, z, t) požární úsek Vlastnosti Povrch odhořívání ohraničujících konstrukcí Plocha otvorů *) Pokročilé modely požáru - Dvouzónový model - Jednozónový model - Kombinace dvou and jednozónového modelu požáru -CFD Výška stropu + Přesná geometrie 22 / 50
Zjednodušené modely požárů: Lokalizovaný požár LOKALIZOVANÝ POŽÁR PROSTOROVÝ POŽÁR θ (x, y, z, t) θ (t) rovnoměrná pro celý požární úsek 23 / 50
Experiment: lokalizovaný požár 24 / 50
Lokalizovaný požár: Metoda HESKESTAD Příloha C v ČSN EN 1991-1-2: Plamen nezasahuje strop požárního úseku (L f < H) Požáry ve volném prostoru Osa plamene Θ = + 2/3 (z-z -5/3 (z) 20 0,25 (0,8 Q c ) z 0 ) 900 C Délka plamene L f lokálního požáru je dána vztahem: H L =-1,02 + 2/5 f D 0,0148 Q L f z D 25 / 50
Lokalizovaný požár: Metoda HASEMI Příloha C v ČSN EN 1991-1-2: Plamen zasahuje strop požárního úseku (L f > H) betonová deska nosník θ = Teplota vzduchu ve výšce nosníku θg Vypočteno dle CaPaFi Y = Výška části nezasažené kouřem 26 / 50 x
Zjednodušené modely požárů: Prostorový požár LOKALIZOVANÝ POŽÁR PROSTOROVÝ POŽÁR θ (x, y, z, t) θ (t) rovnoměrná pro celý požární úsek 27 / 50
Experiment: Požár administrativní budovy Prostorový požár v požárním úseku 28 / 50
Prostorový požár v požárním úseku Parametrická teplotní křivka Teplota [ C] 1100 1000 900 800 700 600 500 Příloha A v ČSN EN 1991-1-2 Normová křivka O = 0.04 m ½ O = 0.06 m ½ O = 0.10 m ½ O = 0.14 m ½ O = 0.20 m ½ Pro konstantní b, q fd, A t aa f 400 300 200 100 Čas [min] 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 29 / 50
Pokročilý model přirozeného požáru *) Nominální teplotní křivka Normová teplotní t křivka, k Křivka vnějšího požáru, Uhlovodíková křivka *) Zjednodušené modely požáru Lokalizovaný požár Prostorový požár - HESKESTADT - HASEMI Nejsou potřebné žádné údaje Rychlost uvolňování tepla -Parametrická teplotní křivka θ (t) rovnoměrná pro celý θ (x, y, z, t) požární úsek Vlastnosti Povrch odhořívání ohraničujících konstrukcí Plocha otvorů *) Pokročilé modely požáru - Dvouzónový model - Jednozónový model - Kombinace dvou and jednozónového modelu požáru -CFD Výška stropu + Přesná geometrie 30 / 50
Pokročilé modely požáru LOKALIZOVANÝ POŽÁR Zůstává lokalizovaný Přechod do prostorového požáru LOKALIZOVANÝ POŽÁR PROSTOROVÝ POŽÁR 31 / 50
Experiment: Požární zatížení v požárním úseku 32 / 50
Experiment: Plameny šlehající z otvorů požárního úseku 33 / 50
Experiment: Požární úsek po požáru 34 / 50
Program OZone V2.2 - dvouzónový model 35 / 50
OZone výsledky: rychlost uvolňování tepla DIF SEK 36 / 50 Část 1: Tepelná a mechanická zatížení
OZone výsledky: teplota plynu θ Hot θ Cold 37 / 50
OZone výsledky: rozhraní mezi vrstvami 38 / 50
Ověření modelu na experimentech, teplota plynu 1400 1200 MAXIMÁLNÍ TEPLOTA PLYNU OZone 1000 OZon ne [ C] 800 600 400 200 0 MAXIMÁLNÍ TEPLOTA PLYNU V POŽÁRNÍM ÚSEKU 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 EXPERIMENT [ C] 39 / 50
Ověření modelu na experimentech, teplota konstrukce 1400 1200 TEPLOTA NECHRÁNĚNÉHO OCELOVÉHO PRVKU 1000 OZo one [ C] 800 600 400 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 EXPERIMENT [ C] 40 / 50
OZone: Příklad Teplota ply ynu [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 Vliv aktivních požárně bezpečnostních zařízení Kancelář : f A = 291,2 m² O.F. = 0,04 m½; Požární zatížení Bez aktivní požární ochrany Externí (veřejná) požární jednotka q f,k Samočinné požární hlásiče elektrická požární signalizace kouřová Samočinné požární hlásiče - Zařízení dálkového přenosu k požární jednotce Samočinné vodní hasicí zařízení = 511 MJ/m² Návrhové požární zatížení q f,d [ MJ/m² ] 625 356 310 189 200 100 0 q m δ δ f,d= q1 q2 δ i ni q f,k 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Čas [min] 41 / 50
Dynamická analýza plynů: program Sofie Síť ť prvků ů 42 / 50
Sofie výsledky: teploty plynů 43 / 50
Stanovení požární odolnosti Θ Zatížení 1: Vzplanutí Ocelové sloupy čas 2: Tepelná zatížení 3: Mechanická zatížení R 4: Teplotní odezva čas 5: Mechanická odezva 6: Případný kolaps 44 / 50
Základy návrhu - zatížení konstrukce S W G Q Z A T Í Ž E N Í Zatížení pro teplotní analýzu Tepelné zatížení POŽÁR Zatížení pro mechanickou analýzu Mechanické zatížení Stálé zatížení G Užitné zatížení Q Sníh S Vítr W Požár 45 / 50
Kombinační pravidla pro mechanická zatížení ČSN EN 1990: Zásady navrhování Při pokojové teplotě E γ G + γ Q + ψ γ d Q = G Q,1 1 0,i Qi Q,i i i >1 Pro kancelář s užitným zatížením Q, hlavní proměnné zatížení E d = 1,35 G + 1,5 Q + 0,6 1,5 W + 0,5 1,5 S 46 / 50
Kombinační pravidla pro mechanická zatížení ČSN EN 1990: Zásady navrhování Požární situace Mimořádná situace E fi,d = G + ψ Q 1 nebo 2,1 1 + i >1 ψ Q 1 nebo 2,i i Pro kancelář s užitným zatížením Q, hlavní proměnné zatížení E fi,d = G + 0,5 Q Pro kanceláře při zatížení budovy větrem W, hlavní proměnné zatížení E fi,d =G+02W+03Q 0,2 + 0,3 DIF SEK Část 1: Tepelná & mechanická Zatížení 47 / 50
Doporučené hodnoty součinitelů ψ pro pozemní stavby Zatížení ψ 0 ψ 1 ψ 2 Kategorie užitných zatížení pro pozemní stavby (ČSN EN 1991-1-1) Kategorie A : obytné plochy Kategorie B : kancelářské plochy Kategorie C :shromažďovací plochy Kategorie D :obchodní plochy Kategorie E : skladovací plochy Kategorie F : dopravní plochy tíha vozidla 30kN Kategorie G:dopravní plochy, 30 kn < tíha vozidla 160kN 0,7 0,5 0,3 Kategorie H :střechy 0 0 0 Zatížení sněhem (ČSN EN 1991-1-3) Finsko, Island, Norsko, Švédsko 070 0,70 050 0,50 020 0,20 Ostatní členové CEN, pro stavby umístěné ve výšce 0,70 0,50 0,20 H > 1000 m n.m. Ostatní členové CEN, pro stavby umístěné ve výšce 0,50 0,20 0 H 1000 m n.m. Zatížení větrem (ČSN EN 1991-1-4) 0,6 0,2 0 Teplota (ne od požáru) pro pozemní stavby (ČSN EN 1991-1-5) 0,6 0,5 0 48 / 50 0,7 0,7 0,7 07 0,7 1,0 0,7 0,5 0,5 0,7 07 0,7 0,9 0,7 0,3 0,3 0,6 06 0,6 0,8 0,6 ( Viz ČSN EN 1990: 2004)
Redukční součinitel η fi = γ G k + ψ fiqk, l GG k + γ Q, l Qk, l,d / Rfi,d,t [-] Redukční souč. Efi 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 03 0,3 0,2 0,1 0 Maximální úroveň zatížení pro požární odolnost R30 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Součinilel průřezu A m /V [1/m] 49 / 50
Národní příloha k ČSN EN 1991-1-2 Normativní pro stavby umístěné na území ČR Umožňuje volbu parametrů v 10 odstavcích V devíti odstavcích přejímá hodnoty v EN 1993-1-2 1 beze změny V odstavci NA 2.10 se při kombinaci větru a požárního zatížení doporučuje pro zatížení sněhem a větrem během působení požáru uplatnit použití časté hodnoty ψ 1,1 Q 1 zejména u halových objektů 50 / 50
Děkuji za pozornost michal.strejcek@fsv.cvut.cz URL: fire.fsv.cvut.cz/difisek