Lokální požáry, teorie/aplikace

ODBORNÝ SEMINÁŘ Chování konstrukcí při požáru. Teplotní zatížení. Harmony Club Hotel, Ostrava Lokální požáry, teorie/aplikace Jiří Pokorný Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje 19.7.2010 1

POSUZOVÁNÍ KONSTRUKCÍ PŘI POŽÁRU Směrnice Rady 89/106/EHS o sbližování právních a správních předpisů členských států týkajících se stavebních výrobků ve znění směrnice Rady 93/68/EHS po určenou dobu zachována odolnost konstrukce Interpretační dokument č. 2 ke směrnici Rady obecné požadavky na stavby z hlediska požární bezpečnosti únosnost stavebních konstrukci (bezpečnost osob, záchranných jednotek, zamezuje zřícení budovy, umožňuje plnit funkce výrobků po stan. dobu) Zákon č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon), ve znění pro stavbu jen výrobky, které po dobu předpokládané existence splní požadavky, mimo jiné, z hlediska požární bezpečnosti ( 156) 2

POSUZOVÁNÍ KONSTRUKCÍ PŘI POŽÁRU Požadavky Směrnice Rady, Interpretačního dokumentu a stavebního zákona přeneseny do vyhlášky č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby ( 8) Požadavek na způsob hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí je dále rozveden právními předpisy (např. vyhláška č. 23/2008 Sb.) technickými předpisy (např. ČSN 73 0802, ČSN 73 0804, ČSN 73 0810, eurokódy) Hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí je obsahem PBŘ (např. vyhláška č. 246/2001 Sb. a vyhláška č. 499/2006 Sb.) 3

ČSN 73 0810, POŽADAVKY Požární odolnost je schopnost odolávat účinkům požáru a 1200 zachovat stanovená Teplota [ o C] kritéria uhlovodíková (nosnost, křivka celistvost a izolační schopnost). 1000 Požadavky 800 na požární odolnost se stanoví podle norem řady ČSN 73 08.. 600 jiných podkladů (např. ČSN EN 1991-1-2) 400 Požární odolnost se stanoví pro normový průběh požáru 200 pravděpodobný průběh požáru 0 normová teplotní křivka křivka pomalého požáru křivka vnějšího požáru Alternativní scénáře podle ČSN EN 1363-2. X (t) DPY Z X (t) R, E, I, W, M DPY DP1, DP2, DP3 Z S, C, K vazba na kmenové normy PBS např. ČSN 73 0804, ČSN EN 1991-1-2 Čas [min] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 4

ČSN 73 0810, PRŮKAZ Požární odolnost konstrukcí je určena klasifikací podle výsledků zkoušek (ČSN EN 13 501-2, ČSN EN 13 501-3) normovou hodnotou (ČSN 73 0821 nebo Eurokódy) nebo výpočtem (lze postihnout všechny stavy) Kritérium E (t)! zkouškou a výpočtem (zkouškou nelze postihnout všechny stavy nebo další posouzení při konkrétní aplikaci) Při stanovení požární odolnosti podle jiných podkladů než ČSN 73 08.. nesmí dojít ke snížení úrovně požární bezpečnosti oproti standardu. Při instalaci SHZ nebo ZOKT (ocel) není nutné v některých případech vyžadovat průkaz požární odolnosti musí být prokázána teplota prostředí nebo konstrukcí (450 C) 5

EUROKÓDY Požární odolnost konstrukcí je určena EN 1990 Zásady navrhování konstrukcí EN 1991 Zatížení konstrukcí (Eurokód 1) EN 1992 NA Navrhování ed. A:2005 betonových konstrukcí (Eurokód 2) EN 1993 Opr. Navrhování 1:2006 ocelových konstrukcí (Eurokód 3) EN 1994 Opr. Navrhování 2:2010 spřažených ocelobetonových konstrukcí (Eurokód 4) EN 1995 Navrhování dřevěných konstrukcí (Eurokód 5) EN 1996 Navrhování zděných konstrukcí (Eurokód 6) EN 1997 Navrhování geotechnických konstrukcí (Eurokód 7) EN 1998 Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení (Eurokód 8) EN 1999 Navrhování konstrukcí z hliníkových slitin (Eurokód 9) Soubor 58 dokumentů, obsahující národně stanovené parametry (NSP) Od 1. dubna 2010 nahrazují původní ČSN Nejvýznamnější z hlediska požární ochrany ČSN EN 1991-1-2. 6

EUROKÓD 1 ČSN EN 1991-1-2 Popisuje tepelné a mechanické zatížení pro navrhování staveb Postupy vystavených účinkům požáru. Nezohledňuje navrhování vliv sprinklerových Normativní hasicích zařízení provozní podmínky pravidla v objektu vliv izolačních a povlakových materiálů Analýza Analýza Analýza celé Volba prvku konstrukce modelů konstrukce volbu příslušného návrhového požárního scénáře Postup návrhu části na účinky požáru zohledňuje stanovení návrhového požáru výpočet teploty v nosných prvcích Analýza prvku výpočet mechanického chování konstrukce Přístup založený na vlastnostech Analýza části konstrukce Jednoduché/Zpřesněné Analýza celé konstrukce 7

EUROKÓD 1 ČSN EN 1991-1-2 Požární odolnost se ověřuje Kompetenční rozdělení z hlediska času t fi,d t fi,requ (min) Požární specialista Návrhový požární scénář z hlediska únosnosti R fi,d,t t fi,requ E fi,d,t z hlediska teploty PŘEDÁVACÍ ROZHRANÍ Θ d Θ cr,d ( C) Stavební inženýr t fi,d t fi,d t fi,requ 8

PŘIROZENÉ MODELY POŽÁRU Jednoduché modely požáru omezené použití založeny na specifických fyzikálních parametrech Modely požáru Požáry prostoru požárního úseku teploty se stanoví na základě Jednoduché fyzikální parametrů Zpřesněné (hustota modely požárního zatížení, podmínky odvětrání) modely požáru požáru předpokládá se rovnoměrné rozdělení teploty v prostoru jako funkce času Lokální požáry V prostoru Lokální požáry požárního úseku v případech, že je celkové vznícení látek v prostoru nepravděpodobné rozdělení teploty v prostoru není rovnoměrné 9

LOKÁLNÍ POŽÁRY DLE EUROKÓDU 1 Rozdělení zóny plamene z hlediska kontaktu se stropem plamen nezasahuje strop plamen zasahuje strop Různé výpočtové metody. 10

DÉLKA PLAMENE Délka plamene představuje střední délku plamene. Někdy označována také jako střední výška plamene. Značný rozsah matematických metod Heskestad Eurokód 1 Horizontální délka plamene Heskestad a Hamada Eurokód 1 L f = f (D, Q) Eurokód nabízí jednu z alternativ řešení 11

VIRTUÁLNÍ POČÁTEK OSY Pomyslý bodový zdroj hoření z 0, ze kterého vychází sloupec zplodin hoření (tzv. Fire Plume). Značný rozsah matematických metod Heskestad Eurokód 1 Nabývá z 0 = f (D, Q) záporných hodnot při nízkých hodnotách HRR kladných hodnot při vyšších hodnotách HRR Eurokód nabízí jednu z alternativ řešení 12

EUROKÓD 1 TEPLOTA, TEPELNÝ TOK Pokud L f < H bude stanovena osová teplota podél osy (C, K). = f (Q c, z, z 0 ) h net = h net,c + h net,r h net,c = α c ( g - m ) h net,r =. m. f..[( r + 273) 4 - ( m + 273) 4 ] Pokud L f > H bude stanovena hustota tepelného toku dopadající na konstrukci (W.m -2 ). h = f (H, r, L h, z ) h net = h tep. ztráty 13

FIRE PLUME Fire Plume lze rozdělit na tři zóny zóna plamene přechodová zóna zóna kouře Kategorie Nejvýznamnější Fire Plume parametry axisymetrický geometrie stěnový teplota rohový rychlost proudění plynů rozlévající množství kouře vytékající 14

1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Teplotní nárůst Fire Plume T fp (K) TEPLOTNÍ ANALÝZA FIRE PLUME 450 400 350 Teplotní analýza kouře Teplota Fire Plume T fp 300 250 200 Průměrná teplota kumulované vrstvy plynů T g Osová teplota Smoke Plume T osa Eurokód Bez zohlednění horké vrstvy plynů T fp f(t g ) Diferenciace teploty osy Smoke Plume T osa Radiální teplota Smoke Plume T osa,r 150 100 50 0 Se zohledněním horké vrstvy plynů T fp = f(t g ) Osová teplota Smoke Plume Vzdálenost od osy r (m) T osa,hvp Požární Analýza inženýrství Fire Plume odpovídá charakterem požárnímu inženýrství z=3 m z=6 m z=9 m z=12 m 15

PŘÍKLAD LOKÁLNÍ POŽÁR, EUROKÓD 1 Stavební charakteristika objektu jednopodlažní část výrobní haly se skladem/dvoupodlažní prostor zázemí hala se skladem je provedena z ocelových konstrukcí Dynamická a opláštěním konstanta k panely v (MW z.s -1 ) minerálních vláken Plocha požáru A (m 2 ) prostor zázemí je proveden z bloků Ytong a železobetonových Průměr požáru stropních D (m) konstrukcí Obvod požáru P (m) Délka plamene L f (m) Návrhový požár Virtuální počátek Fire Plume z 0 (m) Osová teplota Fire Plume návrhový požár je situován v prostorách haly na úrovni podlahy ve středu (z), T (K, C) prostoru (p ni.s i )/ S vážený průměr bude posuzována pouze jedna varianta návrhového Hala montovna/hala požáru obrobna/hala sklad požární zatížení bylo stanoveno dle kodexu norem PBS váženým průměrem zvoleny související návrhové parametry (z h s, RHR f, t) následně byly stanoveny charakteristiky návrhového požáru (15 minuta) 16

PŘÍKLAD LOKÁLNÍ POŽÁR, EUROKÓD 1 Ohnisko požáru Hala sklad Hala obrobna Hala montovna 17

PŘÍKLAD LOKÁLNÍ POŽÁR, EUROKÓD 1 Hala sklad Hala obrobna Ohnisko požáru Hala montovna 18

PŘÍKLAD LOKÁLNÍ POŽÁR, EUROKÓD 1 RHR f = 250 kw.m -2 p n = 26 kg.m -2, p s = 10 kg.m -2 p = 36 kg.m -2 p = 32 kg.m -2 Doba rozvoje požáru t = 900 s z = h s = 7,6 m Dyn. konst. k v = 354 MW -0,5.s -1 Tep. tok Q = 6463,66 kw Q k = 5179,93 kw Plocha požáru A = 25,85 m 2 Průměr požáru D = 5,74 m Délka plamene L f = 2 m z 0 = -3,08 m = 144,36 C, T = 164,36 C Predikce RHR f L f < H = f (Q c, z, z 0 ) RHR f = 175 kw.m -2 p n = 26 kg.m -2, p s = 10 kg.m -2 p = 36 kg.m -2 p = 32 kg.m -2 Doba rozvoje požáru t = 900 s z = h s = 7,6 m Dyn. konst. k v = 354 MW -0,5.s -1 Tep. tok Q = 6463,66 kw Q k = 5179,93 kw Plocha požáru A = 36,94 m 2 Průměr požáru D = 6,86 m Délka plamene L f = 0,85 m z 0 = -4,22 m = 121,86 C, T = 141,86 C 19

ZÓNOVÝ MODEL CFAST, NIST Zjednodušená dispozice objektu, geometrie dle originálu 20

ZÓNOVÝ MODEL CFAST, NIST Ověření lokálního požáru zónovým modelem 21

ZÓNOVÝ MODEL CFAST, NIST Znázornění konečného stavu Příčina odchylky? Lokální požár 164,36 C CFAST 335 C 22

VERIFIKACE VÝSLEDKŮ LOKÁLNÍHO MODELU Doplnění srovnávaných metod stanovením osové teploty Fire Plume se zohledněním horké vrstvy plynů. RHR f = 250 kw.m -2 Srovnání RHR f = 175 kw.m -2 r fp 1,5 m Lokální požár podle Eurokódu = 144,36 C, T = 164,36 C Lokální požár podle Eurokódu = 121,86 C, T = 141,86 C CFAST T = 335 C CFAST T = 335 C Osová teplota Fire Plume se zohledněním horké vrstvy plynů T = 567,47 C (d h = 7,6 m, T = 335 C) Osová teplota Fire Plume se zohledněním horké vrstvy plynů T = 528 C (d h = 7,6 m, T = 335 C) 23

ZÓNOVÝ MODEL CFAST, NIST Průkaz požární odolnosti se nepožaduje (ČSN 73 0810) Zjednodušená dispozice objektu, ocelové ZOKT konstrukce do 45 minut požární úseky do dvou nadzemních podlaží instalace SSHZ nebo ZOKT průkaz teploty prostředí nebo konstrukcí do 450 C při průkazu podrobnou analýzou i bez požárně bezpečnostních zařízení Odvod ZOKT cca 12 m 2 Přívod ZOKT 16 m 2 Návrh dle ČSN EN 12 101-5 Kouřoprostá vrstva 5,2 m Význam instalace ZOKT Lokální požár 164,36 C CFAST 226 C (s ZOKT) Teplota se zohledněním vrstvy 327 C CFAST 335 C (bez ZOKT) 24

Modely požáru typu pole APLIKACE MODELU LOKÁLNÍHO POŽÁRU Stanovení osové teploty Fire Plume Nedochází k poklesu vrstvy kouře v prostoru nebo je zanedbatelný Dochází k poklesu vrstvy kouře v prostoru Poloha stanovení teploty Ruční výpočty/zónové Fire Plume požární modely Lokální model dle Eurokódu 1 Analýza Fire Plume se zohledněním vlivu vrstvy (odhad parametrů) Stanovení poklesu vrstvy Stanovení polohy ve Fire Plume Stanovení teploty osy Fire Plume pod kumulovanou vrstvou plynů Metodika Eurokódu Požární inženýrství 25

APLIKACE MODELU LOKÁLNÍHO POŽÁRU Příčiny odchylky mezi výpočty nutné rozlišovat mezi druhem stanovené teploty, zejména průměrné teploty horké vrstvy plynů a osové teploty Fire Plume Eurokód 1 nezohledňuje vliv klesající vrstvy horkých plynů Využitelnost lokálního požáru dle Eurokódu 1 pro praktické aplikace V jiných případech je nutné výsledky validovat zohlednit časový rozvoj požáru (vhodný s požárními návrhový požár) modely, případně použít pro krátké aplikační doby (zpravidla do 15 minut tepelnou od rozvoje prognózu požáru) jiné metody řešení! výsledky jsou relevantní pro objekty o velkých půdorysných rozměrech (dochází k pozvolnému poklesu vrstvy plynů) výsledky se více blíží skutečnosti při velkých světlých výškách prostoru (po delší dobu je dominantní přisávání okolního chladného vzduchu) nutná aplikace vhodných matematických metod 26

Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. jiri.pokorny@hzsmsk.cz www.jiripokorny.net Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje Výškovická 40, 700 30 Ostrava Zábřeh 27