Teplota ocelového sloupu

Seminář Požární návrhové normy po roce 2011 19. záříz 2018 Teplota ocelového sloupu vystaveného lokáln lnímu požáru Zdeněk Sokol Katedra ocelových a dřevd evěných konstrukcí Stavební fakulta České vysoké učení technické v Praze

Obsah Úvod - sloupy při p i požáru Navrhování konstrukcí na účinky požáru Rychlost uvolňov ování tepla Modely lokáln lního požáru v ČSN EN 1993-1-2 Teplota ocelových prvků při i požáru Model přestupu p tepla do sloupu sálání z plamenů Řešené příklady Závěr

Sloupy při p i požáru plně rozvinutý požár teplotní křivky, zónový model teplota plynů všude stejná teplota sloupu po výšce konstantní Závisí na použit itém m požárnp rním m scénáři lokální požár model lokálního požáru, plameny dosahují ke stropu, sloup je daleko od požáru, vliv sálání z plamenů se neuplatní nejvyšší teplota v horní části sloupu lokální požár model lokálního požáru, plameny nedosahují ke stropu, sloup je blízko požáru nejvyšší teplota ve spodní části sloupu vlivem sálání z plamenů

Navrhování konstrukcí na účinky požáru Podle předpisp edpisů (= Prescriptive methods) teplota v požárn rním úseku podle nomináln lní křivky přestup tepla do konstrukce přírůstkovou p metodou analýza prvků při 20 C, vnitřní síly při p i požáru odvozeny s použit itím m redukčního součinitele η fi Inženýrsk enýrské metody (= Performance based methods) parametrická teplotní křivka lokáln lní požár zónový model přestup tepla do konstrukce přírůstkovou metodou nebo řešení přestupu tepla do konstrukce a vedení tepla pomocí analýzy MKP globáln lní (materiálov lově a fyzikáln lně nelineárn rní) ) analýza celé konstrukce za zvýšen ené

Rychlost uvolňov ování tepla Tepelný výkon požáru Pro popis rychlosti rozvoje požáru se často používá model t 2 fire Fáze hoření rozhořívání ustálené hoření dohořívání Q 1 MW t t Q A max RHR f Q lineární pokles 2 Q, MW 3 2 rozhořívání ustálené hoření dohořívání 1 0 0 10 20 30 0 t, min

Rychlost uvolňov ování tepla Lze samozřejmě použít i jiný průběh RHR pro požár automobilu

Modely lokáln lního požáru podle ČSN EN 1991-1-2, příloha p C Plamen nedosahuje ke stropu Osa plamene Plamen dosahuje ke stropu L h r Osa plamene H H L f z D D a) b) L f délka plamene 1,02 D 0,018 Q 2 / 5

Modely lokáln lního požáru Plamen nedosahuje ke stropu Vstupní parametry plynou z požárního scénáře největší průměr požáru D časově závislá rychlost uvolňování tepla Q Osa plamene Teplota v ose požáru ve zvolené výšce z g 20 0,25 Q 2/3 c 5/ 3 z z 900C 0 H L f z D konvekční složka tepelného toku Q c Q c 0,8 Q a) a virtuální počátek z 0 je z 1,02 D 0,0052 2 / 5 0 Q Tepelný tok dopadající na ocelový prvek Teplota přírůstkovou metodou

Modely lokáln lního požáru Plamen nedosahuje ke stropu 12 L f (m) 12 h (m) 11 10 11 9 8 7 10 9 6 5 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 50 Čas (min) 8 7 6 5 3 5 minut 30 minut 20 minut 15 minut 10 minut 2 Teplota na konci plamene je 520 C 1 0 0 100 200 300 00 500 600 700 800 900 θ g ( C)

Teplota sloupu při p i požáru Plně rozvinutý požár V normě ČSN EN 1993-1-2 2 je uveden postup pro výpočet teploty ocelového prvku (sloupu) vystaveného požáru (tzv. přírůstkovp stková metoda) a,t k sh A c m a / V a h net, d t Hlavním m parametrem je celkový tepelný tok h net,d dopadající na povrch sloupu: složka od proudění h net,c složka od sálánís h c g m 273 8 net,r 5,67 10 g m 273 jsou závislz vislé na (časov( asově proměnn nné) ) teplotě okolního prostřed edí θ g

Teplota sloupu při p i lok. požáru Model z Normy neuvádějí posup pro výpočet teploty sloupu vlastní řešení Plameny lokálního požáru jsou nahrazeny válcovou plochou Teplota sloupu se určípřírůstkovou metodou x D lokální požár y h b y Je třeba zohlednit: účinky sálání z plamenů, jejichž teplota je proměnná po výšce ztráty tepla sáláním ze sloupu do okolního prostoru ztráty tepla prouděním - sloup je obklopen chladným vzduchem

Teplota sloupu při p i požáru Sálání z plamenů Válcová plocha se rozdělí na prstence Účinek sálání z plamenů se určí pro každý prstenec samostatně h 273 net,zisk g m 273 kde teplota prstence (plamenů) θ g vychází z modelu pro lokáln lní požár r v dané výšce z Bere se v úvahu viditelnost z prstence na povrch sloupu oblast plamenů se stejnou teplotou Prstenec se rozdělí na malé plošky, ze kterých se přímo počíta tepelný tok 273 h net,zisk g m 273 plošky

Teplota sloupu při p i lok. požáru Polohový součinitel ϕ 2 sálající povrch 273 h net,zisk g m 273 plošky Polohový součinitel se musí určit pro každou plošku na každém prstenci A 2 přijímající povrch r 1 A 1 A 1 cos 1 cos 2 da 2 r 1

Teplota sloupu při p i lok. požáru Viditelnost povrchu sloupu Případ 1 viditelné jsou tři povrchy Případ 2 viditelné jsou dva povrchy α 2 y α 2 y α 1 ϕ pas1 α 1 ϕ st2 x x α 2 ϕ st2 α 1 y α 1 α 2 y x x ϕ pas1 α 1 α 2 x ϕ st1 y Účinek sálání se počítá pro celý povrch sloupu Sálání dopadá na obálku sloupu

Teplota sloupu při p i lok. požáru Celkový tepelný zisk z 1 prstence Výsledný polohový součinitel pro 1 prstenec ϕ st1 celk h b pas1 pas2 st1 st2 2 b 2 h sálání b ϕ pas1 ϕ st2 h ϕ pas2 a celkový tepelný zisk z 1 prstence h 273 net,zisk celk g m 273

Teplota sloupu při p lok. požáru Tepelné ztráty, ty, celkový tepelný tok Sloup předává teplo do okolního prostředí, protože je obklopen chladným vzduchem a chladnými předměty. Předpokládá se teplota okolí 20 C. h net,ztraty 273 20 273 20 m c m Celkový tepelný tok způsobující změny teploty sloupu h net h net,zisk prstence h net,ztraty Teplota sloupu se určípřírůstkovou metodou a,t k sh A c m a / V a h net, d t

Teplota sloupu při p lok. požáru Nejvyšší teplota sloupu V kterém místě na sloupu se dosahuje nejvyšší teploty? to nelze předem určit místo s nejvyšší teplotou se během času posunuje tak, jak se mění délka plamenů Řešení: Rozdělit sloup po výšce na úseky a počítat teplotu každého úseku.

Teplota sloupu při p lok. požáru Průběh h teploty sloupu po výšce Výška nad podlahou (m) 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0,5,0 3,5 3,0 2,5 HEA220 2,0 1,5 1,0 HEA20 0,5 0,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Teplota (stupne)

Praktické použit ití Postup je zcela nevhodný pro ruční výpočet Vyžaduje poměrně jemné dělení válcové plochy na prstence i prstenců na plošky Využití tabulkového procesoru je obtížné Používám vlastní program (Fortran)

Omezení Sloup musí být mimo oblast plamenů, z důvodů numerické stability je vhodné, aby vzdálenost povrchu sloupu plamenů byla cca 300 mm Nezohledňuje nerovnoměrné rozložení teploty po průřezu sloupu Nezahrnuje vedení tepla podél sloupu (konzervativní přístup) Počítá pouze s jedním zdrojem tepla jedním lokálním požárem Nebere v úvahu horní část sloupu ve vrstvě horkých plynů pod stropem je třeba samostatný výpočet

Řešené příklady Zadání a požárn rní scénáře Posouzení sloupů výrobní haly pro kovovýrobu jednolodní průmyslová hala, rozměry 20 50 metrů, výška ke střeše 7 metrů nevyskytují se hořlavé materiály posouzení je řešeno s využitím lokálního požáru sloupy jsou průřezu HEA 260 Požární scénáře požár obráběcího stroje lisu požár vysokozdvižného vozíku požár bezpečnostní jímky pod skladištěm oleje Předpokládá se, že zařízení (tj. lokální požár) může být umístěno v bezprostřední blízkosti ocelového sloupu, ale sloup není obklopen plameny

Lokáln lní požár r obráběcího stroje - lisu Požárn rní zatížen ení,, rychlost uvolňov ování Požární zatížení (odhad) elektroinstalace plastové kryty a součástky olejová náplň celkem 15 kg hořlavého materiálu, Q f,d = 1326 MJ tepla Průměr požáru D = 2 m Rychlost uvolňování tepla, délka plamenů 2,0 Q(MW) 7 L f (m) 1,5 6 5 1,0 3 0,5 2 1 0 0 10 20 30 0 50 60 70 80 Čas (min) 0 0 10 20 30 0 50 60 70 80 Čas (min)

Lokáln lní požár r obráběcího stroje - lisu Výška nad podlahou (m) Výsledky 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0.5.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min Teplota sloupu 362 C ve 20. minutě Teplota v horké vrstvě plynů pod střechou je nejvýše 60 C 0.5 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 00 Teplota (stupně)

Lokáln lní požár r vysokozd. vozíku Požárn rní zatížen ení,, rychlost uvolňov ování tepla Požární zatížení Je použita křivka rychlosti uvolňování tepla pro osobní automobil (konzervativní) Průměr požáru D = 2,70 m Rychlost uvolňování tepla, délka plamenů 9 8 7 6 5 3 2 1 0 Q(MW) 0 10 20 30 0 50 60 70 80 Čas (min) 7 L f L(m) f (m) 6 5 3 2 1 0 0 0 10 10 20 20 30 30 0 0 50 50 60 60 70 70 80 80 Čas Čas (min) (min)

Lokáln lní požár r vysokozd. vozíku Výsledky 7.0 Výška nad podlahou (m) 6.5 6.0 5.5 5.0.5.0 30 min 3.5 5 min 35 min 0 min 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min Teplota sloupu 28 C ve 35. minutě Teplota v horké vrstvě plynů pod střechou je nejvýše 90 C 0.5 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 00 Teplota (stupně)

Lokáln lní požár r olejů Požárn rní zatížen ení,, rychlost uvolňov ování tepla Požární zatížení 3 plechové sudy, každý s 200 litry oleje nad záchytnou jímkou 1,5 2 metry všechen olej shoří, Q f,d = 2 62 MJ Průměr požáru D = 1,95 m Maximální rychlost uvolňování tepla RHR f = 1680 kw/m 2 Rychlost uvolňování tepla, délka plamenů 10 9 8 Q(MW) L f (m) 7 6 7 6 5 3 2 1 0 0 10 110 120 130 10 150 200 210 220 230 20 Čas (min) 5 3 2 1 0 0 10 110 120 130 10 150 200 210 220 230 20 Čas (min)

Lokáln lní požár r olejů Výsledky 7.0 Výška nad podlahou (m) 6.5 6.0 5.5 5.0.5.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 5 min 10 min 15 min 20 min 5 min 0 min 35 min 30 min 25 min Teplota sloupu 05 C ve 5. minutě ustálený stav Teplota v horké vrstvě plynů pod střechou je nejvýše 220 C 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 00 Teplota (stupně)

Závěr Jednoduchý model s využit itím m postupů zakotvených v platných normách Pro ruční výpočet je nevhodný, používám m vlastní program Je třeba t spolupráce se zónovým z modelem pro ověř ěření teploty v horní části sloupu

Děkuji za pozornost