Úvod do problematiky K novinkám v požární odolnosti nosných konstrukcí Praha, 11. září 2012 Ing. Radek Štefan prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. Znalost rozložení teploty v betonové konstrukci nebo její části vystavené požáru je nezbytným předpokladem pro stanovení její požární odolnosti. V některých případech je nutné určit také rozložení dalších fyzikálních veličin (pórového tlaku, vlhkosti např. pro ověření rizika odštěpování). ČVUT v Praze, Fakulta stavební, katedra betonových a zděných konstrukcí Teplotní analýza betonových konstrukcí - možnosti využití databáze dostupných údajů požární zkoušky výpočet Využití databáze dostupných údajů nejjednodušší přístup ke stanovení rozložení teploty databáze tvořena dříve změřenými nebo vypočítanými hodnotami hodnoty mohou být dostupné ve formě tabulek nebo grafických pomůcek tzv. teplotních profilů základní údaje teplotní profily uvedené v příloze A normy ČSN EN 1992-1-2: platí pro průřezy běžných betonových prvků (desky, stěny, nosníky, sloupy) vystavených normovému požáru Využití databáze dostupných údajů Využití databáze dostupných údajů příklady normových teplotních profilů y [mm] 150 125 75 50 25 800 200 300 400 500 600 700 θ (x,y) [ C] y [mm] 150 125 75 50 25 200 300 400 500 600 800 700 θ (x,y) [ C] výhody: + snadné použití + ověřené údaje nevýhody: omezená platnost hodnoty platí pouze pro takové parametry (rozměry průřezu, vlastnosti materiálu, požární scénář, doba požární expozice), pro které byly naměřeny, resp. vypočítány 900 0 0 25 50 75 125 150 x [mm] Sloup 300 x 300 mm 2, 60 minut 0 0 25 50 75 125 150 x [mm] Sloup ø 300 mm, 60 minut 1
Požární zkoušky využívají se zejména pro analýzu netypických konstrukcí, pro ověření výpočetních modelů a postupů, pro zjištění vlastností a chování netradičních materiálů apod. Požární zkoušky výhody: + univerzálnost + výsledky odpovídají realitě (při správném provedení zkoušky) nevýhody: ekonomická náročnost náročnost na technické vybavení výsledky mohou být ovlivněny nepřesnostmi způsobenými nevhodným zkušebním postupem nebo vadami a poruchami měřicího zařízení Výpočet spočívá ve vyřešení problému sdílení tepla popsaného modelem zahrnujícím diferenciální rovnici vedení tepla a příslušné okrajové a počáteční podmínky (příp. + rovnice popisující transport dalších fyzikálních veličin) modely popisující transportní procesy v betonu vystaveném požáru jsou poměrně složité prakticky vyloučeno analytické řešení nebo řešení pomocí zjednodušených metod výpočtu nejčastěji se používají numerické metody (např. MKP), vlastní řešení téměř výhradně s využitím výpočetní techniky výpočetní program pro teplotní analýzu obdélníkových průřezů (desky, stěny, nosníky, sloupy) vystavených požáru volně dostupný na internetové stránce: http://concrete.fsv.cvut.cz/~stefan/vyzkum.htm aplikace vytvořená v prostředí MATALAB (pro spuštění programu je nutné nainstalovat knihovnu, která je také volně dostupná na uvedené adrese) uživatelské rozhraní v anglickém jazyce řeší 1D (desky/stěny) a 2D (nosníky/sloupy) úlohy Úvodní okno programu vstupy: - materiálové vlastnosti průřezu (materiál s konstantními vlastnostmi, materiál s nelineárními vlastnostmi, beton dle ČSN EN 1992-1-2) - rozměry průřezu - tloušťka a vlastnosti izolační vrstvy - návrhový požární scénář (normová teplotní křivka, parametrická teplotní křivka dle ČSN EN 1991-1-2) - požární expozice (doba vystavení požáru, požár z jedné/dvou/tří/čtyř stran) 2
Okno programu pro zadání vstupů Materiál Rozměry Požár výstupy: - teplota v libovolném bodě průřezu pro zadanou dobu vystavení požáru - teplotní profil průřezu (pro 2D úlohu možno zvolit mezi zobrazením pomocí izoterem nebo pomocí barevné škály) Izolace Expozice Okno programu pro zobrazení výstupů Teplotní profil desky/stěny tl. 300 mm vystavené normovému požáru po dobu 180 min: bez izolace (vlevo), s izolační vrstvou tl. 20 mm (vpravo) Teplotní profil nosníku o průřezu 400 x 400 mm 2 vystaveného normovému požáru ze tři stran po dobu 180 min: zobrazení pomocí izoterem (vlevo), zobrazení pomocí barevné škály (vpravo) příklady nejnovějších aplikací: - stanovení rozložení teploty v referenčních vzorcích (bez izolace) pro vyhodnocení účinnosti ochranných protipožárních nátěrů dle EN 13381-3 (ve spolupráci s PAVUS, a.s.) příklady nejnovějších aplikací: - implementace výpočetního algoritmu do programu RCC pro posouzení požární odolnosti štíhlých betonových sloupů 3
výpočetní program pro teplotně-vlhkostní analýzu betonových obdélníkových průřezů (desky, stěny, nosníky, sloupy) vystavených požáru volně dostupný na internetové stránce: http://concrete.fsv.cvut.cz/~stefan/vyzkum.htm narozdíl od programu TempAnalysis umožňuje zohlednit vliv vlhkosti a jejího transportu slouží pro stanovení rozložení teploty, vlhkosti a pórového tlaku v betonových průřezech vystavených požáru a k určení rizika odštěpování betonu způsobeného nárůstem pórového tlaku aplikace vytvořená v prostředí MATALAB (pro spuštění programu je nutné nainstalovat knihovnu, která je také volně dostupná na uvedené adrese) uživatelské rozhraní v anglickém jazyce řeší 1D (desky/stěny) a 2D (nosníky/sloupy) úlohy vstupy: - rozměry průřezu - materiálové vlastnosti betonu - doba vystavení normovému požáru - okrajové podmínky - počáteční podmínky - nastavení výpočtu (počet konečných prvků, časový krok) Úvodní okno programu Okno programu pro zadání vstupů výstupy: - hodnoty teploty, vlhkosti a pórového tlaku v libovolném bodě průřezu - grafické znázornění rozložení hledaných veličin v analyzovaném průřezu - grafické vyznačení oblasti průřezu, ve které je riziko odštěpení betonu 4
Okno programu pro zobrazení výstupů Grafické znázornění rozložení hledaných veličin v analyzovaném průřezu 2D Vyznačení oblasti průřezu, ve které je riziko odštěpení betonu 2D Grafické znázornění rozložení hledaných veličin v analyzovaném průřezu 1D Vyznačení oblasti průřezu, ve které je riziko odštěpení betonu 1D Závěr Znalost rozložení teploty, případně i dalších fyzikálních veličin, je nezbytným předpokladem pro stanovení požární odolnosti konstrukce. Složitost modelů popisujících transportní procesy v betonu vystaveném požáru prakticky znemožňuje řešit dané úlohy analyticky. Proto se k tomuto účelu využívají numerické metody např. MKP. Vlastní řešení lze provádět téměř výhradně s využitím výpočetní techniky. 5
Závěr V prezentaci byly stručně popsány výpočetní programy TempAnalysis a HygroThermAnalysis, které umožňují teplotní, resp. teplotně-vlhkostní analýzu betonových průřezů vystavených požáru. Programy jsou široce využitelné v oblasti vědy a výzkumu, při výuce předmětů zaměřených na problematiku požární odolnosti konstrukcí i při praktickém navrhování a posuzování betonových konstrukcí na účinky požáru. Děkuji za pozornost! 6