TEPLOTNÍ ANALÝZA POŽÁRNÍHO ÚSEKU Zdeněk Sokol 1 Průběh požáru θ 1: Vznik požáru zatížení čas : Tepelné zatížení R 3: Teplota konstrukce ocelové sloupy 4: Mechanické zatížení čas 5: Analýza konstrukce 6: Možnost zřícení 1
Hlavní části návrhu Teplotní analýza požárního úseku Přestup tepla do konstrukce Návrhový model ČSN EN 1991-1- ČSN EN 199x-1- ČSN EN 199x-1-3 Přístupy Podle předpisů (= Prescriptive methods) teplota v požárním úseku podle nominální křivky přibližné řešení přestupu tepla do konstrukce přímý výpočet přestup tepla do konstrukce přírůstkovou metodou jednoduché vstupní údaje snadnéa rychléřešení vhodné pro jednoduché konstrukce konzervativní analýza prvků při 0 C Inženýrské metody (= Performance based methods) parametrická teplotní křivka lokální požár teplotní analýza požárního úseku zónovým modem nebo CFD, přestup tepla do konstrukce přírůstkovou metodou řešení přestupu tepla do konstrukce MKP velké množství vstupních údajů někdy je obtžné je sehnat složité, časově náročné řešení ne všechny státy EU ho akceptují nezbytné pro složité konstrukce přesnější globální (materiálově a fyzikálně nelineární) analýza konstrukce za zvýšené teploty analýza konstrukce po částech existují programy pro usnadnění výpočtů (FINE, ) 4
Etapy hoření Teplota Před vzplanutím Po vzplanutí 1000-100 C Vzplanutí Křivka přirozeného hoření ISO 834 (normová křivka) Iniciace Doutnání Rozvoj Chladnutí Čas 5 Modely požáru Lokální požár Požár požárního úseku (x, y, z, t) (t) stejná teplota v celém požárním úseku 6 3
Požární zatížení teplotní zatížení vyjadřuje množství hořlavých látek (paliva) v požárním úseku ovlivňuje rozvoj teploty v požárním úseku v jeho důsledku dochází k ohřívání konstrukce a ke změnám mechanických vlastností materiálu mechanická zatížení standardní zatížení (stálé, nahodilé, klimatické) používá se mimořádná kombinace zatížení nepřímé zatížení vyvolané teplotní roztažností prvků 7 Hustota požárního zatížení postup podle ČSN EN 1991-1-, Příloha E určuje se pro celý požární úsek hořlavé materiály tvořící konstrukci (podlahy, okenní rámy, nosné prvky,...) obsah budovy (nábytek, skladovaný materiál,...) Q fi,k = (M k,i. H ui. i )= Q fi,k,i [MJ] q f,k = Q fi,k /A f [MJ/m ] součinitel pro chráněné požární zatížení čistá výhřevnost [MJ/kg] množství hořlavého materiálu [kg] plocha podlahy požárního úseku 8 4
Požární zatížení podle druhu provozu Hustota požárního zatížení q f,k [MJ/m ] Provoz byty nemocnice (pokoje) hotely (pokoje) knihovny kanceláře školní třídy nákupní centrum divadla (kina) doprava (prostory pro veřejnost) Průměr 780 30 310 1500 40 85 600 300 100 80% kvantil 948 80 377 184 511 347 730 365 1 9 Návrhová hodnota q f,d q f,k m q1 q n MJ m součinitel vlivu požárně bezpečnostních opatření riziko vzniku požáru vzhledem k účelu stavby (0,78-1,66) součinitel hoření (0,8) riziko vzniku požáru vzhledem k velikosti požárního úseku (1,1 -,6) 10 5
Součinitele δ q Riziko vzniku požáru vzhledem k velikosti požárního úseku q1 0,16881 ln f A 0, 575,5 Součinitel q1 1,5 1 0,5 Riziko vzniku požáru vzhledem k účelu stavby 0 1 10 100 1000 10000 Plocha požárního úseku A f, m Součinitel δ q Příklady provozu 0,78 Umělecké galerie, muzea, bazény 1,00 Kanceláře, byty, hotely, papírenský průmysl 1, Výroba strojů a motorů 1,44 Chemické laboratoře, lakovny 1,66 Výroba zábavné pyrotechniky, barev 11 Součinitele δ n Vliv požárně bezpečnostních opatření n n,i n,1 n,... n,10 Samočinné hasicí zařízení Samočinné požární hlásiče Manuální hašení požáru Samočinné vodní hasicí zařízení (sprinklery) Nezávislé vodní zdroje Samočinné požární a poplachové hlásiče Samočinný přenos poplachu k požární jednotce Závodní požární jednotka Externí (veřejná) požární jednotka Bezpečné přístupové cesty Technické hasicí prostředky Zařízení pro odvod kouře 1 3 tepelné kouřové δ n,1 δ n, δ n,3 δ n,4 δ n,5 δ n,6 δ n,7 δ n,8 δ n,9 δ n,10 0,61 1,0 0,87 0,7 0,87 0,73 0,87 0,61 0,78 0,9 * nebo 1,0 + nebo 1,5 + 1,0 + nebo 1,0 + nebo 1,5 + 1,5 + * pokud jsou schodiště přetlakově větrána + pro běžná protipožární opatření se bere hodnota 1,0 pokud nejsou, bere se 1,5 1 6
Teplotní analýza požárního úseku Teplota Před vzplanutím Po vzplanutí 1000-100 C Etapy hoření: iniciace rozhořívání vzplanutí plně rozvinutý požár ochlazování Vzplanutí Křivka přírodního hoření ISO 834 (normová křivka) Iniciace Doutnání Rozvoj Chladnutí Čas Druhy požáru: s dostatečným přívodem kyslíku (požár řízený palivem) s nedostatečným přívodem kyslíku (požár řízený ventilací) chemických provozů s nadbytkem kyslíku 13 Teplotní analýza v EN 1991-1- Jednoduché modely (Prescriptive methods) nominální teplotní křivky normová teplotní křivka (ISO 834) uhlovodíková teplotní křivka křivka vnějšího požáru parametrická teplotní křivka Požární inženýrství (Performance based method) lokáln lní požár jednozónový nový model dvojzónový model 14 7
Metody teplotní analýzy Nominální teplotní křivky nejjednodušší a málo přesné někdy konzervativní, někdy nekonzervativní. neberou v úvahu průběh požáru v konkrétních požárních úsecích vzhledem k požárnímu zatížení nezahrnují fázi ochlazování Parametrická teplotní křivka využívá fyzikálních parametrů pro popis průběhu požáru nepopisuje průběh hoření popisují průběhu požáru v požárním úseku včetně fáze chladnutí Zónové modely založené na řešení rovnováhy mezi shořelým palivem a dostupným množstvím kyslíku, na přenosu energie uvolněné z paliva mezi zónami a prvky ohraničujícími požární úsek vhodné pro složitější konstrukce Metody založené na dynamické analýze plynů diskrétní modely MKP pro významné konstrukce a na ověření zjednodušených inženýrských postupů 15 Nominální teplotní křivky normová křivka, g 0 345 log10 teplotní křivka vnějšího požáru, 0 660 1 0,687 e g uhlovodíková teplotní křivka 0 1080 1 0,35 e g 8 t 1 0,3 t 0,167 t 0,313 e 0,675 e 0,38 t,5 t 16 8
Nominální teplotní křivky 100 Teplota 1100 g, C uhlovodíková 1000 normová 900 800 700 600 500 vnějšího požáru 400 300 00 100 0 0 15 30 45 60 75 90 105 10 135 150 165 180 Čas, min 17 Normová křivka 1000 900 800 700 600 500 400 300 00 100 0 Teplota, C 0 345 log 8 t 1 t v minutách 0 10 0 30 40 50 60 945 84 781 739 675 576 Čas (min) 18 9
Vliv velikosti otvorů Požár řízený ventilací Požár řízený palivem Nejvyšší teplota 900 800 RHR f = 50 KW/m² A t / A f = 4.5 700 Hustota požárního zatížení: Teplota 500 400 300 600 00 100 q f = 50 q f = 100 q f = 00 q f = 300 q f = 400 q f = 500 q f = 600 q f = 700 q f = 800 q f = 900 q f = 1000 0 0.0 0.04 0.06 0.08 0.1 0.1 0.14 0.16 0.18 0. 0. 0.4 0.6 0.8 Malé otvory Součinitel otvorů Velké otvory Teplota v požárním úseku pro různé požární zatížení a součinitel otvorů 19 Parametrická teplotní křivka Metoda stanovení křivky hoření i chladnutí vpříloze A ČSN EN 1991-1- omezena na požární úseky do 500 m pro úseky s otvory pouze ve stěnách pro maximální výšku požárního úseku 4 m pro přiměřené množství a běžné hořlavé materiály q t,d v rozmezí 50 až 1000 MJ/m (od 3,5 do 70 kg dřeva na m ). 0 10
Parametrická teplotní křivka Teplota plynů, C 100 Uhlovodíková křivka 1000 800 600 400 ISO 834 - Normová křivka Křivka vnějšího požáru Parametrická křivka 00 0 0 40 60 Čas, min 1 Parametrická teplotní křivka Vstupní parametry: hustota požárního zatížení t max množství a velikost otvorů Av h 1/ O m rozměry požárního úseku At tepelné vlastnosti ohraničujících konstrukcí b c J m s 1/ K O O ref b b ref křivka ve fázi ohřívání: ve fázi chladnutí (závisí na t * max, například): g,t 0 135 1 0,34 e * 0, t 0,04 e * 1,7 t 0,47 e t * * 19 t t hod g,t max 50 t * t * max x 11
Součinitel otvorů v O A A t h m 1/ A v A f H h b A v h A t plocha otvoru výška otvoru plocha všech povrchů v požárním úseku 3 Vliv hustoty požárního zatížení 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 00 100 Teplota, C Zatížení, MJ/m 00 400 600 800 1000 0 0 0 40 60 80 100 10 140 Čas, min 4 1
Vliv součinitele otvorů 1300 100 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 00 100 Teplota, C 1/ Součinitel otvorů O, m 0,0 0,05 0,10 0,15 0,0 malé otvory velké otvory 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 O O ref b b ref Čas, min 5 Vliv ohraničujících konstrukcí 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 00 100 Teplota, C b = 70 q f,d sádrokarton lehký beton normální beton = 700 MJ/m b = 000 b b = 110 ρ c λ 0 0 0 40 60 80 100 10 140 Čas, min J/m s 1/ O O ref 6 ref b b K 13
Zdokonalené modely požáru Lokální požár požár zůstává lokální požár se mění na požár požárního úseku Lokální požár Požár požárního úseku 7 Lokální požár plamen nezasahuje strop (Heskestad) plamen zasahuje strop (Hasemi) 8 14
Zónové modely založeny na řešení diferenciálních rovnic: zachování hmoty: vzduch vstupující do místnosti a plyny vznikající při hoření pokrývají množství vzduchu unikajícího z místnosti zachování energie: energie uvolňující se při hoření se spotřebuje na ohřátí plynů v místnosti, na ohřátí stěn, podlahy a stropu, část energie se ztratí s plyny unikajícími z místnosti a vyzáří okny program OZONE dvouzónový model jednozónový model 9 Dvouzónový model 30 15
Dvouzónový model Rychlost uvolňování tepla Teplota plynů θ Hot θ Cold Rozhraní mezi vrstvami Teplota ocelové konstrukce 31 Jednozónový model 3 16
Přechod mezi modely teplota horní vrstvy > teplota vznícení horní vrstva zasahuje hořlavé materiály teplota horní vrstvy > zápalná teplota horní vrstva zasahuje téměř celou výšku požárního úseku plocha požáru zasahuje velkou plochu požárního úseku 33 Dynamická analýza plynů (CFD) Předpoklady: numerické řešení parciálních diferenciálních rovnic pro termodynamické a aerodynamické proměnné v libovolném bodě požárního úseku rovnice reprezentují matematické vyjádření fyzikálních zákonů: zachování hmoty kapalin a plynů; rychlost změny hybnosti se rovná součtu sil působících na částici kapaliny nebo plynu (druhý Newtonův zákon); rychlost změny energie se rovná součtu rychlosti přírůstku tepla a intenzity práce vykonané na částici kapaliny nebo plynu (první zákon termodynamiky). 34 17
Dynamická analýza plynů (CFD) Dosud se užívá jen výjimečně! není uživatelské prostředí pro modelování velké množství vstupních údajů dlouhá doba výpočtu Používá se pro: komplikované tvary požárního úseku (atrium) lokální požáry předpověď šíření kouře 35 Dynamická analýza plynů (CFD) Teplota radiace Směr a rychlost proudění 36 18
Shrnutí Teplotní analýza požárního úseku se často zjednodušuje normovou teplotní křivkou Normová křivka je v porovnání s přirozeným průběhem požáru většinou výrazně na straně bezpečné Pro přesnější výsledky je vhodné použít parametrickou křivku nebo zónové modely, to vyžaduje přesnější informace o požárním úseku 37 Děkuji za pozornost 38 19