Seminář RIB Požární odolnost vetknutých sloupů podle Zónové metody Seminář pro pozemní stavitelství, 25/26.6. 2008 Praha/Bratislava Úvod do požární odolnosti Ing. Pavel Marek ČVUT v Praze, Fakulta stavební Základy požární legislativy Požárně bezpečnostní řešení staveb Zatížení požárem podle EN 1991-1-2 Stupeň požární bezpečnosti podle ČSN 73 08XX Požární odolnost železobetonových konstrukcí podle EN 1992-1-2 1 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Požární statistika Nejčastější příčiny požárů: lidská nedbalost a neopatrnost (např. otevřený oheň, kouření, svařování) technické závady komíny, topidla Smrtelná zranění jsou způsobena v 95 % jedovatým kouřem 2 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Fáze požáru 3 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Požární legislativa něco z dávné historie 14. století vznik nejstaršího požární řádu v Praze, postupný rozvoj do dalších měst a panství 1755 Marie Terezie: Řád hašení ohně pro města, městečka a vesnice platný pro Prahu a český venkov 1785 František Josef II: vytvoření podrobných řádů 1821 Praha, první hasičská záloha Staroměstská radnice 1867 právo shormažďovací > vznik sborů dobrovolných hasičů 1876 předpis požární policie za zajištění požární ochrany odpovídá starosta novodobá historie 1953 Zákon o státním požárním dozoru a požární ochraně první požární předpisy pro projektování budov 1977 Vytvořen požární kodex, zahrnující soubor norem, který byl reprezentován především ČSN 73 0810: Požární bezpečnost staveb, Společná ustanovení 4 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Požární legislativa ČSN 73 08XX Požární kodex tvoří 5 skupin norem soustředěných pod ČSN 73 08XX: Pro projektování požární bezpečnosti staveb ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb. Nevýrobní objekty ČSN 73 0804 Požární bezpečnost staveb. Výrobní objekt ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb. Společná ustanovení. Hodnocení stavebních konstrukcí a hmot ČSN 73 0821 Požární bezpečnost staveb. Požární odolnost stavebních konstrukcí (revize 5/2007). Evropské zkušební normy pro stanovení reakce stavebních výrobků na oheň Evropské zkušební normy pro stanovení požární odolnosti stavebních konstrukcí a výrobků ČSN EN 1365-1 až 4 Zkoušení požární odolnosti nosných prvků: Část 1 Stěny, Část 2 Stropy a střechy, Část 3 Nosníky, Část 1 Sloupy. Klasifikační Evropské normy ČSN EN 13501-1 Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb: Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. 5 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Požární legislativa Eurokódy Většina Eurokódů týkající se požární ochrany byla z ENV na EN převedena v roce 2002. Postupně byly překládány a schváleny na ČSN EN. ENV resp. EN znamenaly velký pokrok na straně spolehlivosti požární ochrany. Požární odolnost lze ověřit na základě výpočtu pomocí tabulkových, zjednodušených a obecných metod, které byly sestaveny na základě výpočetních analýz sofistikovaných programů a četných experimentálních zkoušek. Výsledkem je nastavení konstantní úrovně spolehlivosti souboru Evropských norem. ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí Zatížení konstrukcí při požáru ČSN EN 1992-1-2: Navrhování betonových konstrukcí Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1994-1-2: Navrhování ocelobetonových konstrukcí Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1995-1-2: Navrhování dřevěných konstrukcí Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1996-1-2: Navrhování zděných konstrukcí Navrhování konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1999-1-2: Navrhování hliníkových konstrukcí Navrhování konstrukcí na účinky požáru 6 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Požární bezpečnost staveb Požární bezpečnost staveb se sleduje: - na úrovni územního plánování -při projektování a provádění stavby -během užívání stavby (např vyhláška č.246/2001 o požární prevenci) a souvisí se zákonem o požární ochraně č 133/1985 Sb. pro které definuje preventivní opatření k a) zabránění vzniku požáru b) zamezení rozšíření požáru c) zabezpečení evakuace osob a materiálu d) zajištění rychlého hasebného zásahu 7 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Kriteria pro návrh požární odolnosti Ekonomické riziko požáru riziko = vstupní pravděpodobnost x výška škod ohodnocení podle tříd rizika Požární scénaře ohodnocení různých variant požárů vstupní pravděpodobnost četně (5) příležitostně (4) zřídka (3) nepravděpodobně (2) Třídy rizika Zajištění bezpečnosti objektu požadavky na konstrukci a zařízení stavby Jednotlivé zájmy ochrany život a zdraví lidí a zvířat ochrana věcí a životního prostředí bezpečnost požárníků pojistitelnost ochrana zboží a výrobních prostředků prakticky nemožně (1) výše škody nepatrná malá střední velká katastrofická (1) (2) (3) (4) (5) nepřijatelné nežádoucí riziko přijatelné 8 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Vlivy na požární odolnost Členění stavby -rozměry a počet podlaží - nosné a nenosné konstrukční části - požární odolnost zdí, stropů, dveří, střech, atd. - tepelné vlastnosti stavebního dílce Požární bezpečnost stavby - zásobení vodou na hašení - detektory požáru a alarmové systémy Vybavení budovy - velikost požárního zatížení a doba trvání požáru - oblast působení požáru a rozšíření požáru Okolní vlivy - vítr působící na konstrukci a pohyb vzduchu v interiéru 9 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Vliv teploty na fyzikální vlastnosti oceli a betonu Beton: 100 C odpařování volné a částečně fyzikálně vázané vody zvýšení f c, snížení E c 100-400 C pevnost betonu v tlaku se příliš neliší od původní hodnoty 400-500 C v závislosti na použitém cementu uvolňování chemicky vázané vody (dehydratace hydroxidu vápenatého) snížení f c, snížení E c <500 C krátkodobé působení teploty pevnost významně neovlivňuje 1600 C tavení betonu významný vliv kameniva: hutné kamenivo - křemičité lehké kamenivo čediče, škvára, struska, expandované jíly, pemza, vápencové štěrky Ocel: >100 C součinitel teplotní roztažnosti α t betonu a oceli se významně odlišuje vznik napětí, ztráta soudržnosti, odprýskání krytí a boulení výztuže rozdíly tepl. roztažnosti možno redukovat volbou lehkého kameniva 10 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Vliv teploty na fyzikální vlastnosti oceli a betonu Beton: 100 C odpařování volné a částečně fyzikálně vázané vody zvýšení f c, snížení E c 100-400 C pevnost betonu v tlaku se příliš neliší od původní hodnoty 400-500 C v závislosti na použitém cementu uvolňování chemicky vázané vody (dehydratace hydroxidu vápenatého) snížení f c, snížení E c <500 C krátkodobé působení teploty pevnost významně neovlivňuje 1600 C tavení betonu významný vliv kameniva: hutné kamenivo - křemičité lehké kamenivo čediče, škvára, struska, expandované jíly, pemza, vápencové štěrky 11 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
EN 1991-1-2 Požární odolnost lze ověřit 1) z hlediska času Upřednostňovaná metoda ukazuje t fi,d t fi,req rezervy spolehlivosti při požáru 2) z hlediska únosnosti R fi,d,t E fi,d,t 3) z hlediska teploty θ d θ cr,d 12 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
EN 1991-1-2 Zatížení konstrukcí během požáru: Mechanické a) obecné pravidlo pro mimořádné návrhové situace (ČSN EN 1990) E reguluje ČSN EN 1991 a zpřesňuje česká NA b) zjednodušené pravidlo účinky stanovené pro čas t=0, které lze uvažovat po celou dobu požáru E fi,d = η fi E d, kde η fi je redukční součinitel definovaný v ČSN EN 1992 až 1996 a ČSN EN 1999 pro navrhování konstrukcí na účinky požáru Tepelné fi, d = Gk, j" + " P" + " Ad " + "( ψ 1,1 nebo ψ 2,1) Qk,1" + " ψ 2, iqk, i j 1 i> 1 a) modelování nominální teplotní křivkou (normová křivka, modely vnějšího pro celý požáru, požární uhlovodíková) úsek b) parametrická teplotní křivka (závisí na hustotě požárního zatížení, X podmínkách odvětrání c) zdokonalené modely požáru (jednozónové, dvojzónové, model dynamická pro lokální analýza požárplynů) (plameny zasahující, nezasahující strop) 13 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
EN 1991-1-2 E fi, d = Gk, j" + " P" + " Ad " + "( ψ 1,1 nebo ψ 2,1) Qk,1" + " ψ 2, iqk, i j 1 i> 1 14 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
EN 1991-1-2: alternativní postupy navrhování 15 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Zdokonalené modely požáru: Zónové modely - termodynamická analýza Jednozónový model Předpokladem je jednodimenzionální vedení tepla, které je popsáno první větou termodynamiky! T g = teplota plynu A w = plocha okna T g h g h w h l A w m g A i = uzavřený vnitřní prostor Množství energie za jednotku času: A i h c R h o m l h c = uvolněná energie v požárním úseku h l = vyprouděná energie kouřovými plyny h o = vyzářená energie z okna h w = vedení/záření do okolních částí stavby h g = uložená energie v kouřových plynech Energetická rovnováha: h c (h l + h o + h w + h g ) = 0 Hmotnostní rovnováha: m g (m l + R) = 0 m g = vyprouděné množství kouře m l = vprouděné množství čerstvého vzduchu R = uvolněná energie ze zatížení požárem 16 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Zdokonalené modely požáru: Dynamická analýza plynů -FEM Jsou počítány rovnice zachování a přenosu energie, hybnosti a hmoty mezi velkým množstvím objemů, na které je prostor rozdělen. Modeluje se ve 3D numerickým řešením parciálních diferenciálních rovnic v závislosti na čase. Pro každý kontrolní objem se řeší proudění plynů, laminární a turbulentní proudění, stlačitelné a nestlačitelné proudění, chemické reakce spalování, uvolňování tepla, přirozené i smíšené sdílení tepla sáláním a prouděním, přenos chemických látek a jejich směšování Programy: FAST, ARGOS, OZONE, BRANZFIRE 17 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
EN 1991-1-2: ekv. doba vystavení účinkům požáru doba působení požáru podle normové teplotní křivky, která má podle předpokladu stejný tepelný účinek jako skutečný požár v požárním úseku určením ekvivalentní doby účinků požáru a návrhem konstrukčního prvku na tuto dobu, po kterou prvek bude odolávat normové teplotní křivce, se zajistí předepsaná nosná funkce konstrukce po proběhnutí požáru (bez vnějšího zásahu: aktivní požární ochrany, hašení stavby) 18 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN 730802 a ČSN 730804 Stupeň požární bezpečnosti I až VII pro požární úsek: ČSN 730802: Nevýrobní objekty v závislosti na výpočtovém požárním zatížení v kg/m 2 a hořlavosti konstrukčního systému (DP1, DP2, DP3) a výšky objektu ČSN 730804: Výrobní objekty v závislosti na ekvivalentní době trvání požáru v minutách, hořlavosti konstrukčního systému (DP1, DP2, DP3) a počtu pater požární odolnost v minutách vztažená k normovému průběhu požáru normové doby požární odolnosti: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 min 19 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN 730810: P.b.s Společná ustanovení Vybrané značky požadavků na vlastnosti požární odolnosti: nosnost konstrukce R(t) celistvost konstrukce E(t) tepelná izolace konstrukce I(t) hustota tepelného toku či radiace z povrchu konstrukce W(t) 20 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN 730821: Požární odolnost stavebních konst. Uvádí hodnoty požární odolnosti: Tab. 1A a 1B - stěny zděné, montované monolitické Tab. 4A a AB - stropy betonové Tab.8 - sloupy železobetonové a zděné...v závislosti na skupině betonu: beton skupiny A směs z pórovitého umělého kameniva <1800kg/m 3 beton skupiny B směs z hutného kameniva 1800kg/m 3 21 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2 Požární odolnost železobetonových sloupů podle ČSN EN 1992-1-2: 11/2006 Tabulkové údaje: - Metoda A Tab 5.2a - Metoda B Tab 5.2b - Příloha C1 C9 Jednoduché výpočetní metody: - Metoda isotermy 500 C - Zónová metoda - Metoda založená na odhadu křivosti Zpřesněné výpočetní modely: - tepelná odezva - mechanická odezva Národní přílohou jsou povoleny všechny zmíněné metody 22 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2: tabulkové údaje Tabulkové údaje: ve vztahu k nominální normové teplotní křivce závisí na poměru zatížení během požáru vzhledem k návrhové únosnosti průřezu stanovují minimální rozměry průřezu a vzdálenosti těžiště výztuže od okraje pro danou normovou požární odolnost použití limituje excentricita zatížení, výška sloupu (metoda A, B), popř. rozměry průřezu v závislosti na užité tab. (metoda C) a především pak podmínka nepohyblivých styčníků obecně konzervativnější než tabulkové hodnoty podle ČSN 73 0821, především pro kratší dobu požární odolnosti R60 23 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2: jednoduché výpočetní metody Metoda isotermy 500 C Postup: možnost aplikace nominální normové teplotní křivky i parametrického požáru nutnost splnění minimálních rozměrů metoda platí pro namáhání průřezů normálovou silou, ohybovým momentem a jejich kombinací včetně účinku druhého řádu 1) stanoví se poloha izotermy 500 C pro stanovené působení požáru 2) stanoví se nová šířka b fi a nová výška d fi průřezu vyloučením betonu vně izotermy 500 C (uvažuje se, že beton nad tuto tepl. není únosný) 3) stanoví se teplota v těžišti jednotlivých výztužných prutů (včetně prutů vně redukovaného průřezu) 4) stanoví se redukovaná pevnost ve výztuži 5) stanovení mezní únosnosti redukovaného průřezu 6) kontrola spolehlivosti průřezu R fi,d E fi,d 24 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2: jednoduché výpočetní metody Metoda isotermy 500 C možnost aplikace nominální normové teplotní křivky i parametrického požáru Postup nutnost splnění minimálních rozměrů metoda platí pro namáhání průřezů normálovou silou, ohybovým momentem a jejich kombinací včetně účinku druhého řádu Součinitel k s ( θ ) pro redukci charakteristické pevnosti (f yk ) tahové a tlakové výztuže 25 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2: Jednoduché výpočetní metody Zónová metoda určená pouze pro nominální normové teplotní křivku bez omezení pracnější, avšak poskytuje přesnější výsledky než metoda izotermy 500 C, vhodná zvláště pro sloupy metoda platí pro namáhání průřezů normálovou silou, ohybovým momentem a jejich kombinací včetně účinku druhého řádu Postup: 1) průřez se rozdělí na několik rovnoběžných zón (n 3) stejné tloušťky 2) ve středu každé zóny se stanoví průměrná teplota θ i 3) určí se redukční součinitele k c,θi, tlakové pevnosti betonu pro každou zónu 4) stanoví se střední hodnota redukčního součinitele k c,θm, zahrnující součinitel (1-0,2/n), který umožňuje vystihnout změnu teploty v každé zóně 5) průřez poškozený požárem je redukován 3) stanoví se teplota v těžišti jednotlivých výztužných prutů (včetně prutů vně redukovaného průřezu) 6) kontrola spolehlivosti průřezu R fi,d E fi,d 26 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2: Jednoduché výpočetní metody Součinitel k c ( θ) pro redukci charakteristické pevnosti betonu (f ck ) Rozdělení stěny vystavené požáru na obou stranách na zóny pro výpočet redukce pevnosti a hodnot a z 27 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
ČSN EN 1992-1-2: jednoduché výpočetní metody Zónová metoda, ačkoli je bez použití výpočetní techniky pracnější, je podle EN 1992-1-2 přesnější než metoda izotermy 500 C. Je velmi dobře použitelná pro masivní i štíhlé sloupy Přesnost resp. ekonomičnost výpočtu závisí na výstižnosti teplotních profilů (příloha A v EN 1992-1-2) Zónová metoda je implementována v programu BEST 28 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Literatura [1] F. Wald: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí [2] V. Kupilík: Stavební konstrukce z požárního hlediska [3] EN 1992-1-2: Navrhování betonových konstrukcí - Navrhování konstrukcí na účinky požáru [4] EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí - Zatížení konstrukcí vystavených účinků požáru 29 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz
Děkuji za pozornost! 30 RIB stavební software s.r.o. 2008 www.rib.cz