Ocelové konstrukce požární návrh

Ocelové konstrukce požární návrh František Wald Zdeněk Sokol, 17.2.2005 1

2 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí

Úvod Grafy zjednodušené modely Jednoduché inženýrské modely Metoda konečných prvků 3 Návrh požární odolnosti konstrukce Evropské normy Teplotní analýza požárního úseku ČSN EN 1991-1-2: 2004 Přestup a vedení tepla v konstrukci ČSN EN 1993-1-2: 2004 Návrh konstrukce za zvýšených teplot Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

4 Prezentace na CD nosiči V jazyce HTML (.mth) špatný odkaz ze stránky Přednášky. Lze na CD nalézt v knihovně Prednasky_v_HTM. Ve formátu Microsof Power Point (.pps) je přímo přístupná. Ve formátu Adobe Acrobat (.pdf) je přímo přístupná. Lekce ve formátu PP Výukový videofilm VÝPOČET POŽÁRNÍ ODOLNOSTI KONSTRUKCÍ PODLE EVROPSKÝCH NOREM

5 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

6 Požárně nechráněné prvky Metoda konečných prvků Přírůstková metoda Přímý výpočet Teplota, C 1000 Teplota plynů v požárním úseku vypočítaná parametrickou teplotní křivkou 800 600 400 200 0 Nominální normová teplotní křivka Teplota nosníku vypočítaná z nominální normové teplotní křivky Teplota nosníku přibližným přímým výpočtem vypočítaná z nominální normové teplotní křivky Teplota nosníku vypočítaná z parametrické teplotní křivky IPE 360 A m /V = 360 m -1 0 15 30 45 60 75 A t = 360 m 2 A f = 100 m 2 b = 1500 J/m 2 s 1/2 K q f,d = 600 MJ/m 2 O = 0,07 m 1/2 Čas, min

7 Přírůstková metoda Přírůstek tepla v časovém úseku - nárůst teploty prvku h& net h & net A m t = ρ a čistý tepelný tok na plochu c a V θ Am plocha povrchu prvku, ρa hustota oceli, ca měrné teplo oceli V objem prvku na jednotku délky Vnormě (EN 1993-1-2: 2004) ve tvaru Am / V θ a,t = k sh hnet, d t c a ρ a součinitel průřezu (povrch / objem) Am/V součinitel zastínění ksh = 0,9 (Am/V)b/(Am/V) a

8 Součinitel průřezu Am/V 75 60 45 Čas, Součinitel t, min průřezu nad 350 nemá praktický A m / V = 10 m -1 význam Vliv nelineární změny měrného tepla 15 20 25 30 40 60 30 15 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Nominální normová teplotní křivka Teplota, 100 150 200 250 θ a,t, C Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

9 Porovnání s experimentem v Cardingtonu Teplota nosníku, C 1200 Předpovězeno z parametrické tepl. křivky 1000 D2 E2 Nosník 800 600 Změřeno Dolní pásnice Požární úsek S 400 D1 E1 200 0 Předpovězeno ze změřené teploty plynu 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Čas, min Změřeno 1088 C v 57 min; Vypočteno 1067 C v 54 min Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

10 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

11 Požárně chráněné prvky MKP Přírůstková metoda Přímý výpočet Ap /Vsoučinitel průřezu pro prvky s ochranným materiálem Teplota, C IPE 360 1000 800 600 400 Nominální normová teplotní křivka Zpoždění odpařením vody 100 C Ochranný materiál d p = 0,01 m l p =0,078 W m -1 K -1 c p = 1200 J kg -1 K -1 Přibližný přímý výpočet 200 0 Teplota nosníku přírůstkovou metodou Vliv vlhkosti v ochranném materiálu 0 15 30 45 60 75 Čas, min

12 Vliv součinitele průřezu Ap/V a tep. izol. λp/dp 800 700 600 Teplota, C 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Nominální normová teplotní křivka 500 800 600 400 400 300 300 200 Součinitel požárně chráněného průřezu 200 100 A p λ p -1-3 100 c p ρ p A p W K m φ = d p = 0 V dp ca ρ a V 0 0 30 60 90 120 150 Čas, min V grafu zanedbána tepelná jímavost požárně ochranného materiálu

13 Porovnání s experimentem v Cardingtonu D2 E2 Teplota, C N 1 000 Teplota plynu změřeno D1 E1 800 600 400 200 Vnitřní sloup výpočet Vnitřní sloup změřeno D2 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Čas, min

14 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

15 Požárně odolné oceli Žáropevné oceli Žáruvzdorné (opaluvzdorné) oceli 600 C až 1200 C Požárně odolné oceli Zjemněním krystalické struktury (snížením obsahu síry) Přísadou molybdenu a niobu Použito EXPO 2000 Hannover - Kristův pavilón Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

16 Odolnější při 600 C 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Redukční součinitel k E,FRS275N, θ k E,q (uhlíková ocel) k FRS275N, θ (požárně odolná ocel) k y, θ (uhlíková ocel) 0,1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Teplota, C

17 Nerezové oceli 1 0,9 0,8 Redukční součinitel, k ij, θ k y, θ (uhlíková ocel) 0,7 0,6 0,5 k p,14301, θ k E,1.4, θ 0,4 0,3 0,2 0,1 0 k u,14301, q (austenitické oceli) k u,14303, θ k p,14303, θ 0 200 400 600 800 1000 1200 Teplota θ a, C

18 Litina 1 Redukční součinitel, k ij, θ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Uhlíková ocel k y,θ k ci, θ 0,3 0,2 Litina 0,1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Teplota θ a, C

19 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

20 Výpočetní modely Kritická teplota Napětí, MPa Únosnost prvku (styčníku) 1 Stupeň využití průřezu, µ 0 Odezva zatížení při mimořádné situaci Zhroucení 0,8 0,6 0,4 Rezerva únosnosti 0,2 Kritická teplota Teplota, C 0 0 200 400 600 Kritická teplota Teplota, C

21 Kritická teplota θ a,cr µ 0 1 39, 19 ln 3 833 0, 9674 µ 0 =, Stupeň využití průřezu µ 0 = E R fi,d fi,d, 0 1 + 482 1 θa, cr, FRS275N = 15,81ln 1 + 606 7, 124 0,9999 µ 0 Účinek zatížení při požární situaci Únosnost při požární situaci při normální teplotě

22 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Návrh sloupu Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí

23 Návrh sloupu za požáru θ g Nerovnoměrné zahřívání θ g θ g θ a UC 203x203x52, S 275 Rovnoměrné zahřívání průřezu tlačeného prvku 0,1 θ a Nerovnoměrné zahřívání průřezu tlačeného prvku 0,2 θ a θ g θ a λ = 40; F c,d = 514 kn λ = 150; F c,d = 550 kn θ g θ a λ = 40; F c,d = 615 kn λ = 150; F c,d = 198 kn Ohřev konstrukce Teplotní deformace sloupu Teplotní deformace nosníku Excentricita účinků zatížení δ

24 Redukce vzpěrných délek za požáru lfi l fi,4 = 0,7 L 4 L 4 L 3 l fi,2 = 0,5 L 2 L 2 l = 0,7 L fi,1 1 L 1

25 Návrh sloupu za požáru Omezit štíhlost na 150 Většinou nutno požárně chránit Rovnoměrně izolovat Nové poznatky Součinitel vzpěrnosti za požáru dříve přibližně χ / 1,2 20 C χ fi

26 Součinitel vzpěrnosti za požáru Součinitel vzpěrnosti, χ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Zvýšená teplota α = 0,65; 300 C χ 400 C fi 500 C 600 C 700 C 800 C Pokojová teplota 0,0 0,5 1,0 1,5 χ α = 0,21; křivka a; 20 C α = 0,49; křivka b; 20 C α = 0,65; křivka c; 20 C α = 0,76; křivka d; 20 C Poměrná štíhlost, λ

27 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Tlačený prvek Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí

Průřezy třídy 4 Kritická teplota, θa,cr, C 800 Prvky s průřezy třídy 1, 2 a 3 700 MKP a experimenty Analyticky a experimenty Kritická teplota 28 600 Tažené prvky za studena tvarované 500 400 300 Nosníky s průřezy třídy 4 Sloupy s průřezy třídy 4 200 100 0 Stupeň využití 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 µ 0

29 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Tlačený prvek Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí

30 Teplota přípojů Koncentrace hmoty Chladnější oblast Předpověď teploty ze součinitele průřezu z teploty dolní pásnice Ocelobetonová/betonová deska a < 400 mm 0,62 a > 400 mm 0,70 h 0,75 0,88 h h 0,88 0,88 Teploty dolní pásnice ve středu nosníku

31 Porovnání s experimentem v Cardingtonu Teplota plechu přípoje, C Předpovězeno z teploty plynu podle součinitele průřezu 1000 800 Předpovězeno z teploty dolní pásnice D2 E2 600 400 Změřeno D1 E1 200 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 Čas, min.

32 Únosnost spojovacích prostředků 1 Redukční součinitel, k ij, θ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 k w, θ svary k y,θ uhlíková ocel 0,3 0,2 0,1 0 k b, θ šrouby 0 200 400 600 800 1000 1200 Teplota θ a, C

33 Metoda komponent za zvýšené teploty φ M z 50 0 Moment, M,kN 0 20 40 200ºC 500ºC 600ºC 700ºC 800ºC 20 ºC Natočení, φ,mrad

34 Příklad návrhu požárně odolného přípoje Millennium Tower, Vídeň

35

36 Realizace

37 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Tlačený prvek Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí Úvod Přestup tepla Mechanické vlastnosti Výpočetní modely Shrnutí

38 Řešené příklady 4.4 Příklady výpočtů str. 4.4.1 Nosník, návrh pomocí grafu 218 4.4.2 Nosník, ověření z hlediska času 220 4.4.3 Nosník z oceli FR30, ověření z hlediska únosnosti 223 4.4.4 Nosník, ověření z hlediska teploty 224 4.4.5 Nosník, parametrická teplotní křivka 225 4.4.6 Nosník se ztrátou stability 228 4.4.7 Sloup patrové budovy 231 4.4.8 Přípoj nosníku ke sloupu 235 4.4.9 Spoj pásu vazníku 237

39 Nosník, parametrická teplotní křivka Návrh za pokojové teploty Posouzení za pokojové teploty q g Posouzení za požáru Redukční součinitel zatížení Ohybový moment při požáru Klasifikace průřezu za zvýšené teploty Parametrická teplotní křivka Přestup tepla do konstrukce Posouzení (z hlediska únosnosti R90) IPE 270 L = 6,2 m

40 Parametrická teplotní křivka (Příklad 1.5.2 na str.74) Teplota plynů v požárním úsekuθ g,t ve fázi rozvoje požáru se určí ze vztahu * * * 0, 2 t 1, 7 t 19 t θ = 20 + 1325 1 0, 324 e 0, 204 e 0, 472 e g,t ( ) kde náhradní čas plného rozvinutí požáru t * se stanoví z času t max dosazeného v hod t * = Γ t = 1, 346 t * t = Γ t = 1, 346 0, 25 0, 3365 max max = a ve fázi chladnutí, pro požár řízený palivem x = 1, * * θ = θ 625 t t x pro t * max 0, 5 g,t max ( ) max Nejvyšší teplota plynů nastane v čase t max a je rovna 0, 2 0, 3365 7 0 3365 19 0 3365 = 20 + 1325 1 0 324 0 204 1,,, θ, e, e 0, 472 e = C g,t ( ) 790

41 Výpočet teploty požárně chráněného ocelového průřezu Tabulkovým procesorem Čas min t* h θ g C J kg -1 C -1 ø θ a,t C θ a,t C 0:00 0 20,0 440 20,0 0:30 0,01121 146,1 440 0,113 0,0 20,0 1:00 0,02243 249,0 440 0,113 0,0 20,0 1:30 0,03364 333,3 440 0,113 1,0 21,0 2:00 0,04485 402,4 440 0,113 2,0 23,0 2:30 0,05607 459,2 442 0,112 2,8 25,7 3:00 0,06728 506,2 444 0,112 3,4 29,1 c a 48:30 1,08767 320,5 569 0,087 0,2 311,7 49:00 1,09890 313,4 569 0,087 0,1 311,8 49:30 1,11011 306,4 569 0,087 0,1 311,9 50:00 1,12133 299,4 569 0,087 0,0 311,9 50:30 1,13254 292,4 569 0,087 0,0 311,9 51:00 1,14375 285,4 569 0,087-0,1 311,8 51:30 1,15497 278,4 569 0,087-0,1 311,7 89:00 1,99596 1047,9 818 0,061 2,0 654,7 89:30 2,00717 1048,7 822 0,060 2,0 656,7 90:00 2,01839 1049,5 826 0,060 2,0 658,7 90:30 2,02960 1050,4 830 0,060 2,0 660,6 91:00 2,04081 1051,2 834 0,059 2,0 662,6

42 Teplota, C Teplota v požárním úseku 600 400 θ a = 311,9 C Teplota nosníku IPE 270 chráněného zpěnitelným nátěrem 200 Nejvyšší teplota nosníku t = 50 min 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Čas, min Momentová únosnost pro odpovídající redukční součinitel účinné meze kluzu k y,θ = 1,0 M f y 3 275 = W k = 484 10 1000, 1331, knm pl,rd y,θ γ 10, = fi,θ,rd M,fi Únosnost se ještě zvětší vlivem zakrytí nosníku ocelobetonovou deskou; κ 1 = 0,7, κ 2 = 1,0; M fi,θ,rd 1331, M fi,t,rd = = = 1901, knm > 50,7 knm = M fi,sd κ1 κ2 0, 7 10, Navržený průřez IPE 270 vyhovuje.

43 Obsah prezentace Úvod Přestup tepla do konstrukce Požárně nechráněné prvky Požárně chráněné prvky Mechanické vlastnosti oceli za vysokých teplot Požárně odolné oceli Nerezové oceli Litina Výpočetní modely Kritická teplota Tlačený prvek Průřezy čtvrté třídy Styčníky Řešený příklad Shrnutí

44 Shrnutí návrhu na grafu ECCS Kritická teplota 250 100 Součinitel pož. nechráněného průřezu 60 40 30 25 20 15 2000 10 1500 Součinitel nerovnoměrného rozdělení teploty 700 200 150 1200 1000 900 0,7. 0,85 600 800 700 0,7 0,85 500 600 1,0 400 500 400 300 250 300 200 150 200 100 100 Součinitel pož. chráněného průřezu Stupeň využití průřezu 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 15 30 45 60 75 90 105 Čas, min. 120

Děkuji za pozornost, 17.2.2005 45