Aplikace lokálního požáru při navrhování stavebních konstrukcí Application of the Local Fire in Designing Building Structures Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje, Výškovická 40, 700 30 Ostrava Zábřeh, Česká republika, e-mail: jiri.pokorny@hzsmsk.cz, homepage: www.jiripokorny.net Ing. Petr Kučera, Ph.D. VŠB Technická univerzita Ostrava, Lumírova 13, 700 30 Ostrava Výškovice, Česká republika tel. +420 597 322 856, e-mail: petr.kucera@vsb.cz Abstrakt: Navrhování stavebních konstrukcí na účinky požáru je řešena na základě podkladů získaných normovými hodnotami, zkouškami, výpočty nebo kombinací popisovaných postupů. Výpočetní metody nabývají u některých druhů konstrukcí, mezi které patří ocelové a dřevěné konstrukce, stále většího významu. Jednou z možností definování tepelného namáhání konstrukcí, využitelných zejména bezprostředně po rozvoji požáru, je metoda lokálního požáru. Příspěvek sumarizuje zásady výpočtu při využití lokálního požáru, hodnotí jeho pozitivní i negativní stránky a zejména jeho využitelnost v praxi. Klíčová slova: požár, stavební konstrukce, návrh, lokální požár Abstract: The issue of designing building structures for the effects of fire is resolved on the basis of data obtained by standardized values, tests, calculations, or a combination of the described procedures. The calculation methods are becoming more important with certain kinds of building structures, including steel and wood building structures. One way to define the thermal stress of building structures, which is usable especially immediately after the development of a fire, is the local fire method. This text summarizes the principles of calculation when using local fire, it evaluates its positive and negative aspects, and especially its practical applicability. Keywords: fire, building structure, design, local fire Úvod Fáze rozvoje požáru je dlouhodobě předmětem zájmu odborníků zabývajících se požární ochranou, zejména pak specialistů na posuzování parametrů stavebních konstrukcí. Jedním z nejsledovanějších charakteristik je jejich požární odolnost. Konstrukce dřevěné a ocelové se pyšní celou paletou pozitivních vlastností, ovšem z hlediska požární bezpečnosti mnohdy vyžadují realizaci určitých opatření, která v konečném důsledku zvyšují konečnou cenu stavebního prvku nebo konstrukce. Zájem o posuzování rozvoje požáru, a tedy o tzv. lokální požár, je tedy pochopitelný. Posuzování stavebních konstrukcí na účinky požáru Požadavky na stavební konstrukce, a tedy také na jejich požární odolnost, jsou v obecné rovině stanoveny Směrnicí Rady 89/106/EHS o sbližování právních a správních předpisů členských států týkajících se stavebních výrobků ve znění Směrnice Rady 93/68/EHS (dále jen směrnice Rady ). Požadavky dále rozvádí Interpretační dokument č. 2 ke směrnici Rady, který popisuje základní požadavky a strategii z hlediska požární bezpečnosti, zásady filosofie 1
inženýrského přístupu a formy naplnění podmínek požární bezpečnosti. Obsahem je rovněž posouzení stavebních konstrukcí z hlediska jejich požární odolnosti. Evropské požadavky byly implementovány do legislativy České republiky. Ve smyslu zákona č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon), ve znění pozdějších předpisů, a vyhlášky č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby, ve znění vyhlášky č. 20/2012 Sb., musí stavby splnit, mimo jiné, požadavky na požární bezpečnost. Požadavky na způsob hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí jsou dále rozvedeny právními a technickými předpisy. Základní principy stanoví vyhláška č. 23/2008 Sb., o technických podmínkách požární ochrany staveb, ve znění vyhlášky č. 268/2011 Sb. Podrobnosti dále rozvádí kodex norem požární bezpečnosti staveb (normy řady ČSN 73 08xx) a Eurokódy. Soubor Eurokódů obsahuje v současné době přibližně šest desítek návrhových dokumentů. Jejich základní členění je znázorněno v tab. 1. ČSN EN 1990 Tab. 1 Základní členění Eurokódů Zásady navrhování konstrukcí ČSN EN 1991 Zatížení konstrukcí (Eurokód 1) ČSN EN 1992 Navrhování betonových konstrukcí (Eurokód 2) ČSN EN 1993 Navrhování ocelových konstrukcí (Eurokód 3) ČSN EN 1994 Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí (Eurokód 4) ČSN EN 1995 Navrhování dřevěných konstrukcí (Eurokód 5) ČSN EN 1996 Navrhování zděných konstrukcí (Eurokód 6) ČSN EN 1997 Navrhování geotechnických konstrukcí (Eurokód 7) ČSN EN 1998 Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení (Eurokód 8) ČSN EN 1999 Navrhování konstrukcí z hliníkových slitin (Eurokód 9) Z hlediska požární ochrany je nejvýznamnější Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-2: Obecná zatížení - Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. Hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí je v konečném důsledku obsahem požárně bezpečnostního řešení zpracovaného jako součást dokumentace staveb dle vyhlášky č. 499/2006 Sb., o dokumentaci staveb, v rozsahu stanoveném vyhláškou č. 246/2001 Sb., o stanovení podmínek požární bezpečnosti a výkonu státního požárního dozoru (vyhláška o požární bezpečnosti). Požadavky a průkaz požární odolnosti stavebních konstrukcí Požární odolností stavebních konstrukcí je souhrnně vyjádřena schopnost konstrukcí odolávat účinkům požáru. Hodnocení požární odolnosti spočívá v prokázání splnění stanovených požadavků. Obecně jsou pro tepelná zatížení stanoveny následující expozice [1]: malý zdroj zapálení (např. zápalka), samostatně hořící předměty (např. hořící nábytek, uskladněné materiály v průmyslových provozovnách), plně rozvinutý požár (např. skutečné požární zatížení, normová teplotní/časová křivka). 2
Požární odolnost se standardně stanoví pro normový průběh požáru nebo pravděpodobný (parametrický) průběh požáru. Normovému průběhu požáru odpovídají požární odolnosti určené výpočtovým požárním zatížením nebo ekvivalentní dobou trvání požáru. Pravděpodobný průběh požáru je určen podle konkrétních podmínek posuzované části stavebního nebo technologického objektu, zpravidla s odchylným průběhem teplot v hořícím prostoru od normového průběhu požáru. Pravděpodobný průběh požáru je určen pravděpodobnou dobou trvání požáru a pravděpodobnými teplotami plynů [2] nebo teplotní analýzou parametrického průběhu požáru [3]. Požadavky na požární odolnost konstrukcí ve vztahu k požárnímu riziku požárních úseků se stanoví podle kodexu norem požární bezpečnosti staveb (řada ČSN 73 08xx) nebo podle jiných podkladů (např. podle ČSN EN 1991-1-2). Požární odolnost konstrukcí [4]: je určena klasifikací podle výsledků zkoušek dle příslušných zkušebních norem (viz ČSN EN 13501-1 a ČSN EN 13501-2), je stanovena normovou hodnotou (podle ČSN 73 0821 nebo hodnotou podle Eurokódů, případně hodnotou určenou v rozšířené aplikaci), popř. výpočtem v těch případech, kde lze všechny činitele ovlivňující požární odolnost početně formulovat, lze stanovit zkouškou a výpočtem v těch případech, kde zkouškou nelze postihnout všechny činitele ovlivňující požární odolnost nebo kde výsledky zkoušek vyžadují pro konkrétní aplikaci další posouzení. Lokální požár Lokální požár reprezentuje situaci, kdy je celkové vznícení látek nepravděpodobné a je předpokládáno nerovnoměrné rozdělení teploty v prostoru. Z hlediska rozvoje a šíření plamene jsou rozlišovány dvě základní situace (viz obr. 1): plameny nezasahující strop; (Lf < H, délka plamenů je menší než je výška stropu nad zdrojem požáru), plameny zasahující strop; (Lf H, délka plamenů je rovna či větší než je výška stropu nad zdrojem požáru). V tomto případě je třeba stanovit vodorovnou délku plamene Lh, která vytyčuje prostor radiálního rozšíření plamenů pod stropem. Obr. 1 Plameny při požáru v uzavřeném prostoru [5] Vstupními údaji pro posouzení účinku lokálního požáru na stavební konstrukce jsou délka plamene L f, virtuální počátek osy z 0, konvekční část rychlosti uvolňování tepla Q c a další 1. 1 Symboly v této a navazující části textu pro přehlednost kopírují označení v Eurokódu 1. 3
Metodikou výpočtu podle Eurokódu 1 je dále stanoven teplotní nárůst osy Fire Plume 2 a tepelný tok dopadající na povrch konstrukce (pro případy, kdy plameny nezasahují strop) nebo přímo tepelný tok dopadající na povrch konstrukce (pro případy, kdy plameny zasahují strop). Principiálně je možné postup řešení popsat následujícími závislostmi [3]. Za předpokladu L f < H: ( ) = (,, ) (1) h = h, + h, (2) h, = h, = [( + 273) ( + 273) ] (4) (3) Za předpokladu L f H: h =,,, (5) h = h é á (6) kde L f délka plamene (popř. střední výška plamene) (m) H vzdálenost mezi zdrojem požáru a stropem (m) (z) teplota v oblaku hořících plynů podél symetrické svislé osy ( C) Q c konvekční část rychlosti uvolňování tepla Q (W) z výška podél osy plamene (m) z 0 virtuální počátek osy (m) h net čistý tepelný tok na jednotku plochy povrchu (W.m -2 ) h net,c čistý tepelný tok na jednotku plochy povrchu vlivem proudění (W.m -2 ) h net,r čistý tepelný tok na jednotku plochy povrchu vlivem sálání (W.m -2 ) α c součinitel přestupu tepla prouděním (W.m -2.K -1 ) g teplota plynů v blízkosti prvku vystaveného účinkům požáru ( C) m povrchová teplota prvku ( C) polohový faktor (-) m povrchová emisivita prvku (-) f emisivita požáru (-) Stephan-Boltzmannova konstanta (W.m -2.K -4 ) r účinná teplota sálání prostředí požáru ( C) h tepelný tok dopadající na jednotku povrchové plochy v úrovni stropu vystavené účinkům požáru (W.m -2 ) r vodorovná vzdálenost mezi svislou osou ohně a bodem u stropu, pro který se počítá tepelný tok (m) L h vodorovná délka plamene (m) z svislá poloha virtuálního zdroje tepla (m) Výpočetní postup lokálního požáru rozvedený v Eurokódu 1 je jednou z obvyklých, avšak současně také nejjednodušších metod pro stanovení osové teploty Fire Plume a tepelného toku dopadajícího na stavební konstrukci. Nenáročnost řešení je také důvodem významného omezení použití popisované metody. Jedná se především o omezení výpočtu vzhledem k výškové poloze v prostoru (přesněji poloze ve Fire Plume) a vlivu kumulujícího se kouře. Prezentované vztahy jsou využitelné pro stanovení osové teploty Fire Plume v jeho konečné 2 Rozvoj požáru je doprovázen vznikem a rozvojem sloupce kouřových plynů. Tento jev je obecně označován jako Fire Plume. 4
části, tedy zóně kouře 3. Aplikace výpočtových metod v jiných částech Fire Plume vede k nereálně optimistickým výsledkům [5], [7]. Výpočetní metoda je, mimo jiné, založena na předpokladu, že do rozvíjejícího se sloupce kouřových plynů dochází k přisávání okolního vzduchu o teplotě odpovídající standardního podmínkám okolí (zpravidla 20 C). V reálných situacích však při požárech v uzavřených prostorách dochází ve většině případů ke vzniku vrstvy kouře pod stropní nebo podhledovou konstrukcí, která se postupně snižuje. Při prostupu Fire Plume horkou vrstvou plynů dochází k ovlivnění jeho osové teploty zdůvodu změny okolních podmínek. Ve tvarujícím se Fire Plume dochází k přisávání plynů, které mají vyšší teplotu, než je teplota okolí a tím je pokles teploty snarůstající vzdáleností nad povrchem hořlavých materiálů pozvolnější. Výsledné hodnoty teploty osy Fire Plume bez nebo se zohledněním horké vrstvy plynů se mohou zásadně lišit a výsledky získané postupem podle Eurokódu 1 mohou být v případě existence horké vrstvy plynů zavádějící (významně poddimenzované) [5], [8]. Omezení výpočetního postupu podle Eurokódu 1 je znázorněno na obr. 2. V rámci případové studie byl hodnocen prostor haly, kde dochází k opracování a uskladnění kovových materiálů. Postupem dle Eurokódu 1 stanovena osová teplota Fire Plume pod střešní konstrukcí v15 minutě požáru 164 C. Za předpokladu shodných podmínek byla s využitím zónového modelu CFAST 4 [9] stanovena průměrná teplota horké vrstvy kouře 335 C. Je možné, aby průměrná teplota horké vrstvy plynů stanovená modelem CFAST byla vyšší než osová teplota Fire Plume stanovená postupem dle Eurokodu 1?. Není, jde zjevně o nesprávný výsledek. Osová teplota Fire Plume by měla být vyšší než průměrná teplota horké vrstvy plynů. Chyba je způsobená limitami postupu pro posouzení lokálního požáru podle Eurokódu 1. Obr. 2 Posouzení průměrné teploty vrstvy plynů zónovým modelem CFAST 3 Fire Plume se člení na zónu plamene, přechodovou zónu a zónu kouře [6]. 4 CFAST je zónovým modelem požáru, který byl vyvinut National Institute of Standards and Technology. 5
Postup při stanovení osové teploty Fire Plume (možná aplikace lokálního požáru podle Eurokódu 1) je znázorněn na obr. 3. Obr. 3 Postup při stanovení osové teploty Fire Plume [5] Teorie lokálního požáru je využitelná při posouzení teplot prostředí v době požadované požární odolnosti konstrukce, při které není nutné v určitých případech při instalaci samočinného stabilního hasicího zařízení nebo zařízení pro odvod kouře a tepla, případně bez instalace těchto zařízení, zřizovat protipožární ochrany ocelových konstrukcí 5 (případy speciálních aplikací). I zde je však ve většině případů nezbytné zohlednit vliv vrstvy horkých plynů, které se kumulují pod stropní konstrukcí. Závěr Metodiku lokálního požáru podle Eurokódu 1 je možné bez dalších souvisejících výpočtových metod aplikovat v praxi pro návrh stavebních konstrukcí za podmínek požáru pouze ojediněle. Jedná se o případy stavebních objektů o velkých geometrických rozměrech, kde je pokles vrstvy kouře značně pozvolný a krátké aplikační doby výpočtové metodiky (nízké požadavky na požární odolnost stavebních konstrukcí). Jednoduchost postupu pro posouzení lokálního požáru podle Eurokódu 1, významným způsobem limituje jeho širší aplikaci. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Ministerstva vnitra ČR č. VG 20122014074 Specifické posouzení vysoce rizikových podmínek požární bezpečnosti s využitím postupů požárního inženýrství. 5 Čl. 4.8 ČSN 73 0810. 6
Literatura [1] Interpretační dokument Směrnice Rady 89/106/EHS Pro stavební výrobky, Základní požadavek č. 2 Požární bezpečnost. Brusel: Komise ES, zveřejněno v řadě C Úředního věstníku ES č. 94/C 62 (94/C 62/01), 1989. [2] ČSN 73 0804 Požární bezpečnost staveb Výrobní objekty. Praha: ÚNMZ, 2010, 156 s. [3] ČSN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-2: Obecná zatížení - Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. Praha: ÚNMZ, 2004, 56 s. [4] ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb Společná ustanovení. Praha: ÚNMZ, 2009, 44 s. [5] KUČERA, P., POKORNÝ, J. Stanovení teplotního zatížení stavebních konstrukcí při požáru. Ostrava: KONSTRUKCE Media, s.r.o., KONSTRUKCE Odborný časopis pro stavebnictví a strojírenství (recenzované periodikum), 9. ročník, 2010, č. 6, s. 26-31, ISSN: 1213-8762 (Print), ISSN 1803-8433 (Online), Reg. č. MK ČR E 13563. [6] HESKESTAD, G. Fire Plumes, Flame Height, and Air Entrainment. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Fourth Edition, Section Two, Chapter 2-1. Quincy: National Fire Protection Association, 2008, s. 1-20, ISBN-10: 0-87765-821-8, ISBN- 13: 978-0-87765-821-4. [7] POKORNÝ, J. Základy teplotní analýzy Smoke Plume. In Sborník přednášek XVIII. ročníku mezinárodní konference Požární ochrana 2009 (recenzované periodikum). Ostrava: VŠB-TUO, FBI, SPBI a HZS MSK, 2009. s. 457-467, ISBN 978-80-7385-067-8. [8] POKORNÝ, J. Stanovení osové teploty Smoke Plume se zohledněním horké vrstvy plynů. SPEKTRUM (recenzovaný časopis) ročník 10, číslo 1. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2010, s. 21-24, ISSN: 1211-6920 (print) 1804-1639 (on-line). [9] Fire growth and smoke transport Modeling with CFAST. In NIST, Fire Research Division, CFAST. [online]. 2011 [cit. 2012-01-27]. Dostupné z WWW: <http://www.nist.gov/el/fire_research/cfast.cfm>. 7