Část 5.1 Prostorový požár P. Schaumann T. Trautmann University of Hannover J. Žižka České vysoké učení technické v Praze 1 ZADÁNÍ Cílem je stanovit teplotu plynů plně rozvinutého požáru v kanceláři. Pro analýzu se použije prostor fiktivní kanceláře v Cardingtonu. Na této kanceláři proběhla požární zkouška. Průběh teploty který byl změřen během testu je na obrázku č. 3 takže výsledek výpočtu lze porovnat s měřením. Pro výpočet teploty plynů se použije model přirozeného požáru. Pro plně rozvinutý požár lze použít metodu prostorového požáru úseku. Zjednodušená výpočetní metoda pro určení parametrické teplotní křivky je popsána v EN 1991-1-2 - Příloha A. Obrázek 1. Hala v Cardingtonu (vlevo) a kancelář testu fiktivní kanceláře (vpravo) Plocha podlah: A f = 135 m² Celková plocha stěn A t = 474 m² Celková plocha svislých otvorů: A v = 27 m² Součinitel svislých otvorů: α v = 02 Součinitel vodorovných otvorů : α h = 00 Výška: H = 40 m Průměrná výška oken: Lehký beton: Rychlost rozvoje požáru h eq = 18 m (předpoklad) ρ = 1900 kg/m² c = 840 J/kgK λ = 10 W/mK střední
2 URČENÍ HUSTOTY POŽÁRNÍHO ZATÍŽENÍ EN 1991-1-2 Příloha A normy EN 1991-1-2 nabízí výpočetní model pro určení hustoty požárního zatížení. Návrhová hodnota hustoty požárního zatížení může být určena buď na základě národní požární klasifikace dle obsazenosti a/nebo na základě výpočtu určení požárního zatížení pro individuální objekt. V tomto příkladě se použije druhý přístup. q = q m δ δ δ Příloha E.1 f d f k q1 q2 n kde: m je součinitel hoření δ q1 součinitel nebezpečí vzniku požáru podle velikosti požárního úseku δ q2 součinitel nebezpečí vzniku požáru vlivem druhu provozu δ n součinitel aktivních protipožárních opatření. Požární zatížení se sestává z 20 % z umělé hmoty z 11 % z papíru a z 69 % ze dřeva. Převládají tedy buněčné materiály. Velikost součinitele hoření je dána hodnotou: m = 08 Součinitel δ q1 zohledňuje vliv nebezpečí vzniku požáru v závislosti na velikosti požárního úseku. Hodnoty součinitele udává tabulka 1. Tabulka 1. Součinitel nebezpečí vzniku požáru velikostí požárního úseku (viz EN 1991-1-2 Tabulka E.1) Podlahová plocha požárního úseku A f [m²] 25 250 2500 5000 10000 Nebezpečí vzniku požáru δ q1 110 150 190 200 213 δ q1 = 15 Součinitel δ q2 zohledňuje vliv nebezpečí vzniku požáru v závislosti na druhu provozu. Jeho hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Tabulka 2. Součinitel rizika nebezpečí vzniku požáru vlivem druhu provozu (viz EN 1991-1-2 Tabulka E.1) Nebezpečí vzniku požáru δ q2 Příklad provozu 078 galerie muzea bazény 100 kanceláře byty hotely papírenský průmysl 122 výroba strojů a motorů 144 chemické laboratoře lakovny 166 výrobna barev nebo pyrotechniky δ q2 = 10 Součinitel aktivních protipožárních opatření se spočte jako: 10 n = δni i= 1 δ
Hodnoty součinitelů δ ni jsou v tabulce 3. Tabulka 3. Součinitele δ ni (viz EN 1991-1-2 Tabulka E.2) Aktivní protipožární opatření δ ni Samočinné vodní hasící zařízení δ n1 061 Samočinné hasící zařízení Nezávislé vodní zdroje žádný jeden 10 087 Samočinné požární hlásiče Manuální hašení požáru Elektrická požární signalizace δ n2 dva 07 δ n3 tepelná 087 δ n4 kouřová 073 Zařízení dálkového přenosu k požární jednotce δ n5 087 Závodní požární jednotka δ n6 061 Veřejná požární jednotka δ n7 078 Bezpečné přístupové cesty δ n8 09 nebo 10 nebo 15 Technické prostředky požární ochrany δ n9 10 or 15 Zařízení pro odvod kouře δ n10 10 or 15 δ = 10 073 087 078 10 10 10 = 050 n Charakteristické požární zatížení je definováno jako: Qfi k = Mki Hui ψ i Příloha E.2 kde M ki je hmotnost hořlavého materiálu [kg] H ui čistá výhřevnost materiálu [MJ/kg] viz EN 1991-1-2 tabulka E.3 a ψ i součinitel pro stanovení chráněného požárního zatížení. Celková hmotnost požárního zatížení je rovna 46 kg dřeva/m². Vypočte se charakteristické požární zatížení: Q fi k = 135 46 175 10= 108675 MJ Dále charakteristická hustota požárního zatížení: qf k= Qfi k Af= 108675 135 = 805 MJ/m² A návrhová hustota požárního zatížení je: q f d= 805 08 15 10 05 = 4830 MJ/m² 3 VÝPOČET PARAMETRICKÉ TEPLOTONÍ KŘIVKY Příloha A Musí se určit zda plně rozvinutý požár je řízen ventilací nebo palivem. Rozhodující je součinitel otvorů a návrhová hodnota hustoty požárního zatížení vztažená k celkové ploše. a 12 002 O= heq Av At = 18 27 474 = 0076 m 02 q = q A A = 4830 135 474 = 1376MJ m td f d f t 2
Určí se rozhodující faktor při řízení požáru: 3 3 qtd O tlim 02 10 = 02 10 1376 0076 = 0362 h > = 0333 h Požár je řízen ventilací. Pro výpočet parametrické teplotní křivky ve fázi ohřívání a chladnutí se musí určit součinitel b. Tento součinitel zohledňuje vliv teplotní pohltivosti ohraničujících konstrukcí. Hustota tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita ohraničující konstrukce se uvažuje při pokojové teplotě. Strop podlaha i stěny jsou z lehkého betonu: b = ρ c λ = 1900 840 10 = 12633 2 1 2 Teplotní křivka ve fázi zahřívání je dána vztahem: θ g ms J K 100 2200 02 t* 17 t* 19 t* = 20 + 1325 1 0324 e 0204 e 0472 e Jelikož je požár řízen ventilací vypočte se čas t* jako: kde: t* = t Γ ( Ob) ( 0076 12633) 2 2 Γ= = = 304 2 2 004 1160 004 1160 Nyní jsou známy všechny potřebné parametry pro výpočet křivky ve fázi ohřívání: 02 ( 304 t) 17 ( 304 t) 19 ( 304 t) θ g = 20 + 1325 ( 1 0324 e 0204 e 0472 e ) Dosažené maximální teplota ve fázi ohřívání je: kde max max max ( 02 t * 17 t * 19 t e e e * ) θmax = 20 + 1325 1 0324 0204 0427 t * max t max = Γ a čas t max spočteme dle t max 3 3 02 10 qtd O= 02 10 1376 0076 = 0363 h = max tlim = 0333 h kde t lim je dáno v tabulce č.4 Tabulka 4. Čas t lim pro různé rychlosti rozvoje požárů Malá rychlost rozvoje Střední rychlost rozvoje Velká rychlost rozvoje t lim [h] 0417 0333 0250 Hodnota t* max je tedy: Maximální teplota: t * max = 0363 304 = 110 h
( 02 110 17 e e 110 e 19 110 ) θmax = 20 + 1325 1 0324 0 204 0 427 = 9588 C Pro fázi chladnutí se t* a t* max vypočítá jako: [ ] t* = t Γ= t 304 h 3 ( td ) t* = 02 10 q O Γ= 110h max Teplotní křivka pro fázi chladnutí pro 05 t* max 20 se určí ze vztahu: θ ( t ) g = θmax 250 3 t* max t* t* max x kde: t max > t lim x = 10 = 9588 250 3 110 304 110 10 Kombinací části teplotní křivky pro zahřívání a chladnutí se získá parametrická teplotní křivka která je na obrázku 2. Teplota [ C] 1600 1400 1200 1000 Parametrická teplotní křivka Fáze zahřívání Fáze chladnutí 800 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Čas t [min] Obrázek 2. Teplota plynů v kanceláři spočtená při použití parametrické teplotní křivky
POROVNÁNÍ VÝPOČTU A POŽÁRNÍ ZKOUŠKY Pro porovnání výsledku výpočtu s naměřenými hodnotami během testu se musí součinitele δ 1 δ 2 a δ ni pro výpočet hustoty požárního zatížení uvažovat hodnotou 10 (viz obrázek 3). Výpočet Naměřené maximum Naměřený průměr Obrázek 3. Porovnání výpočtu a experimentu kde Time je čas v min Temperature teplota ve C LITERATURA EN 1991 Eurocode 1: Actions on structures Part 1-2: General actions Actions on structures exposed to fire Brussels: CEN November 2002 The Behaviour of multi-storey steel framed buildings in fire Moorgate: British Steel plc Swinden Technology Centre 1998 Valorisation Project: Natural Fire Safety Concept Sponsored by ECSC June 2001