1

VÝPOČET POŽÁRNÍHO ZATÍŽENÍ

Prof. Ing. František Wald, CSc., ing. Zdeněk Sokol, Ph.D. České vysoké učení technické v Praze

1 ČASOVÝ PROGRAM ZAVEDENÍ NORMY DO SYSTÉMU ČSN Norma Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí

vystavených účinkům požáru [1] byla schválena v CENu v dubnu 2002. Do systému českých norem byla přijata v roce 2004. Text normy přeložil ing. Jan Karpaš, CSc., který také vypracoval národní přílohu. V roce 2006 vyšla Oprava 1, která pro jednotlivé materiály sjednotila překlad některých termínů v soustavě norem na výpočet požární odolnosti konstrukcí, tj. dokumentů ČSN EN 199x-1-2. V opravě byl termín „zjednodušený výpočetní model“ nahrazen „jednoduchý výpočetní model“, termín „zdokonalený výpočetní model“ výrazem „zpřesněný výpočetní model“. V článku normy 1.6 Značky fyzikální veličiny byl změněn termín „specifické teplo“ na „měrné teplo“.

2 SROVNÁNÍ S ENV Norma upřesňuje některé části předběžné normy ČSN P ENV 1991-2-2 z roku 1995,

která byla v ČR přijata v roce 1997. Největší přínos lze nalézt u přílohy A, kde byla předpověď teploty v požárním úseku analytickým modelem pomocí parametrické teplotní křivky zpřesněna na základě posledních experimentálních poznatků.

3 STRUKTURA NORMY První kapitola uvozuje rozsah platnosti normy, definuje termíny a zavádí značky. Druhá

kapitola shrnuje postup návrhu konstrukce na účinky požáru, tj teplotní analýzu požárního úseku, přestup a rozvoj tepla v požárním úseku, mechanické zatížení za požáru a analýzu konstrukce za zvýšené teploty. Třetí kapitola popisuje modely tepelných zatížení pro teplotní analýzu. Kromě jednoduchých modelů rozvoje teploty v požárním úseku pomocí nominální normové teplotní křivky doporučuje využívat i přesnějších parametrických a zónových modelů a dynamické analýzy plynů. Čtvrtá kapitole shrnuje mechanická zatížení při požáru pro analýzu konstrukce, pravidla jejich kombinace a možná zjednodušení při návrhu. Příloha A popisuje analytický model teploty v požárním úseku při prostorovém požáru po celkovém vzplanutí pomocí parametrické teplotní křivky. Příloha B umožňuje zjednodušený výpočet tepelného zatížení vnějších prvků, kde přesnější časově závislý návrh je popsán v příloze B ČSN EN 1993-1-2. Příloha C popisuje analytický model teploty v požárním úseku při lokálním požáru. Příloha D definuje požadavky na zdokonalené modely požárů. V příloze E jsou zavedeny pojmy, jako rychlost uvolňování energie nebo součinitele vyjadřující nebezpečí vzniku požáru, a hodnoty vstupních dat, např. hustoty požárního zatížení nebo hodnoty čisté výhřevnosti jednotlivých materiálů, pro výpočet hustoty požárního zatížení během požáru. Příloha F umožňuje výpočet ekvivalentní doby vystavení účinkům požáru. Příloha G popisuje výpočet polohového faktoru.

4 NÁRODNÍ PŘÍLOHA Národní příloha, která je informativní, definuje, že Národně stanovené parametry,

kterých je deset, mají pro stavby umístěné na území České republiky normativní charakter. Prvních devět národně stanovených parametrů uplatňuje pro ČR doporučené hodnoty

2

v jednotlivých článcích normy a tím umožňuje konzistentní využití příloh normy. Článek NA.2.10 uvádí, že se v ČR pro reprezentativní hodnotu proměnného zatížení Q1 použije kvazistálá hodnota ψ2,1Q1. Podle charakteru konstrukce budovy a jejího umístění se doporučuje, zejména u halových objektů, pro zatížení sněhem a větrem během působení požáru uplatnit použití časté hodnoty ψ1,1Q1. Doporučené hodnoty součinitelů ψ1,1 a ψ2,1 jsou uvedeny v EN 1990:2004, tabulka A1.1. Použití časté hodnoty ψ1,1Q1 je v rozporu s posledními poznatky, viz např. [2], a lze očekávat, že bude při revizi normy aktualizován.

5 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY

5.1 Parametrická teplotní křivka Postup výpočtu teploty plynu v požárním úseku je udále kázán na řešeném příkladu,

který je zjednodušením požárního experimentu. Stanovte teplotu plynu při prostorovém požáru parametrickou teplotní křivkou v obytné

místnosti o rozměrech 4 x 6 m a výšce 2,8 m s jedním oknem velikosti 1,4 x 2,4 m s parapetem 1,1 m, viz obr. 1. Podlaha a strop jsou ze železobetonu, stěna z oknem z lehkého betonu a ostatní stěny jsou vyzděny. Aktivní požární ochrana není zajištěna. Bezpečná evakuace osob a odvodu kouře z únikových cest jsou umožněny. Technické hasící prostředky jsou k disposici. ___________________________________________________________________________

Půdorys

6 000

Řez

4 000

1 100

1 4002 800

2 400

Pol. 2

Pol. 2

Pol. 2Pol. 1 Pol. 4

Pol. 3

Pol. 4

Pol. 2

Pol. 1

Pol. 3

Obr. 1 Vyšetřovaný požární úsek

5.1.1 Požární zatížení Součinitel hoření m lze uvažovat pro převážně celulosové hořlavé materiály, které se

vyskytují v bytech, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.3(2), hodnotou m = 0,8

nebezpečí vzniku požáru v závislosti na velikosti požárního úseku, viz ČSN EN 1991-1-2 tab. E.2, δq1 = 1,1 + (1,5 - 1,1) ⋅ (40 - 25) / (250 - 25) = 1,13 nebezpečí vzniku požáru vlivem druhu provozu

δq2 = 1,0 Požární úsek bytu je zajištěn běžnými prostředky požární ochrany, jako je bezpečná evakuace osob včetně odvodu kouře z únikových cest a technickými hasícími prostředky, a součinitel aktivní požární ochrany může být uvažován hodnotou, viz ČSN EN 1991-1-2 tab. E.2,

δn = 1,00

3

Návrhová hustota požárního zatížení se spočte pro 80% kvantit hustoty požárního zatížení podle ČSN EN 1991-1-2 tab. E.4 jako qf,d = qf,k m δq1 δq2 δn = 948 ⋅ 0,8 ⋅ 1,13 ⋅ 1,0 ⋅ 1,0 = 857 MJm-2

5.1.2 Ventilace Plocha podlahy Af = 4 ⋅ 6 = 24 m2 Plocha ohraničujících konstrukcí úseku At = 2 ⋅ (24 + (4 + 6 )⋅ 2,8) = 104 m2 Celková plocha svislých otvorů ve všech ohraničujících konstrukcích Av = 1,4 ⋅ 2,4 = 3,36 Koeficient otvorů, viz ČSN EN 1991-1-2 A.2a, (v rozsahu 0,02 ≤ O ≤ 0,20) lze vyjádřit jako

=⋅== 10441363teqv /,,A/hAO 0,0382 m1/2 Koeficienty povrchů jsou stanoveny v tab. 1.1. Tab. 1 Koeficienty povrchů

Pol. Materiál Hustota

ρ kg/m3

Specifické teplo

c, J kg-

1 K-1

Tepelná vodivost λ W m-

1 K-1

Koef. povrchu )c(bi λρ=

J m-2 s-1/2 K-1

Plocha povrchu Aj m2

1 Stěna – 1 - lehký beton 1 600 840 0,80 1 037 4 ⋅ 2,8 -

3,36 = 7,84

2 Stěna – 2 - cihelné zdivo 1 600 840 0,70 970 4 ⋅ 2,8 +

+ 2 ⋅ 6 ⋅ 2,8 = 44,8

3 Strop 1. vrstva - ocel 7 850 440 58,00 14 154 4 ⋅ 6 = 24

4 Strop 2. vrstva - beton 2 300 900 2,00 2 035 2 ⋅ 4 ⋅ 6 = 2 ⋅ 24

Pro povrch stropu s různými vrstvami materiálů pro b1 = 14154 > b2 = 2035 J m-2 s-1/2 K-1 se počítá se střední rychlostí rozvoje požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7, která je pro byt tlim = 20 min = 0,25 hod Hustota požárního zatížení, vztažená k celé ploše povrchu, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.(10), se počítá jako qt,d = qf,d Af / At = 857 ⋅ 24 / 104 = 197,8 MJ/m2 Nejvyšší teplota θmax , viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7, bude v čase tmax = max [tlim; (0,2 10-3 qt,d / O)] = max [20; (0,2 10-3 197,8 / 0,0382)] = 1,035 hod Mezní tloušťka materiálu vystaveného požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.5, je

m25007850440

58035160036003

11

1maxlim ,,

cts =

⋅⋅⋅

==ρ

λ < s1 = 0,001 m

4

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+= 2035

2500010114154

25000101 2

lim

11

lim

1

,,

,,b

ssb

ssb 2083 J m-2 s-1/2 K-1

Tepelnou charakteristiku povrchů ohraničujících konstrukcí lze uvažovat v rozsahu 100 ≤ b ≤ 2200, , viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.6. rov. (A.5), ∑ −= )AA/()Ab(b vtjj =(1037 ⋅ 7,84 + 970 ⋅ 44,8 + 24 ⋅ 2035 + 24 ⋅ 2083 ) / (104 – 3,36) =

= 1495 J m-2 s-1/2 K-1 Vypočte se součinitel, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 rov (A.2a), Γ = (O / b)2 / (0,04/1 160)2 = (0,0382 / 1495)2 / (0,04/1160)2 = 0,549 V přírůstcích po 5 s se tabulkovým procesorem stanoví náhradní čas. Např. v čase 30 min bude podle ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 (A.2a), t* = t Γ = 0,5 ⋅ 0,549 = 0,2745 hod

5.1.3 Teplota plynů v požárním úseku Teplota plynů v požárním úseku se počítá v přírůstcích 5 sekund podle ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 rov (A.1), např. v čase 30 min se vypočte jako θg = 1325 (1 – 0,324 e-0,2 t* – 0,204 e-1,7 t* – 0,472 e-19 t*) + 20 = 765,7 °C

5.1.4 Nejvyšší teplota Pro byt je střední rychlost rozvoje požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.4(2) tab. E.5, tlim = 20 min = 0,25 hod Nejvyšší teplota θmax bude v čase, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7 rov. (A.7), tmax = max [tlim; (0,2 10-3 qt,d / O)] = max [0,25; (0,2 10-

3 197,8 / 0,0382)] = 1,035 hod Náhradní čas nejvyšší teploty se vypočte jako, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.7 rov. (A.6), t*max = tmax Γ = 1,035 ⋅ 0,549 = 0,568 hod Nejvyšší teplota se stanoví, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.3 rov. (A.1), θg = 1325 (1 – 0,324 e-0,2 t* – 0,204 e-1,7 t* – 0,472 e-19 t*) + 20 = 859,0 °C

5.1.5 Chladnutí Pro chladnutí je t*max, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov. (A.11b), 0,5 < t*max = 0,6 < 2 hod se uvažuje chladnutí 250 (3 – t*

max) (t* – t*max x)° C za hod.

Pro tmax = 1,035 > tlim = 0,25 hod se počítá s x = 1,0, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov. (A.12),. Např. pro 90 min požáru, t* = t Γ = 1,5 ⋅ 0,549 = 0,8235 hod bude teplota, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov (A.11b), θg = θmax – 250 (3 - t*max ) (t* - t*max ⋅ x) = 859,0 – 250 (3 – 0,6 ) (0,8235 – 0,6 ⋅ 1,0) = = 829,0 °C

5

Teplota plynu 20 °C bude v požárním úseku v čase, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. A.11 rov. (A.11b), t = [(θmax - θg) / (250 . [3 - t*max ]) + t*max . x] / Γ = = [(859,0 - 20) / (250 . [3 – 0,6]) + 0,6 . 1,0] / 0,549 = 3,55 hod = 212,97 min Na obr. 2 je teplotní křivka, výsledek řešeného příkladu, porovnána s nominální normovou teplotní křivkou. Je vidět, že pro celulózové hoření je popis nárůstu teploty podle nominální normové křivky poměrně výstižný, rozdíl pro maximální teplotu je pod 100°C.

0

200

400

600

800

1000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 Čas, min

Teplota plynu, °C

959,0 °C

150

Nominálná normová teplotní křivka

Parametrická teplotní křivka765,7 °C

841,8 °C

Obr. 2 Porovnání vypočtené parametrické teplotní křivky s křivkou nominální

5.1.6 Porovnání s experimentem Požární úsek v řešeném příkladě, je obdobný úseku při zkoušce ČVUT v Praze na

objektu koksovny Mittal Steel Ostrava dne 16.5.2006, viz obr. 3 a 4. Hlavním cílem pokusu bylo prohloubení poznatků o teplotě styčníků a vnitřních silách v konstrukci při jejím zahřívání a chladnutí. Naměřené hodnoty teplot jsou dokumentovány na obr. 5. Pro tento poměr stran požárního úseku s otvorem pouze v přední části (6:4) byly do asi 30 min teploty blíže k otvoru vyšší o až 200 °C. Při plném rozvinutí požáru, viz obr. 6, byly vyšší teploty vzadu v požárním úseku o až 160°C, viz [3]. Při chladnutí se teploty vyrovnaly. Porovnání vypočítané, pomocí parametrické teplotní křivky a programem Ozone, a střední naměřené teploty plynů 300 mm pod stropem požárního úseku při zkoušce je ukázáno na obr. 7. Výpočet odpovídá naměřeným geometrickým a materiálovým charakteristikám. Je vidět, že předpověď průměrné teploty plynu je výstižná a konzervativní.

TG1TG2TG3TG4TG5TG6

Půdorys

500 500 1000 1000 1000 1000

Řez

TG1TG2TG3TG4TG5TG6300300

+6,45

+9,50

+7,52

2. NP

3. NP

Obr. 3 Poloha termočlánků při zkoušce

6

a) b) Obr. 4 a) Požární zatížení dřevěnými hranoly 50 x 50 x 1000,

b) Mechanické zatížení barely s vodou

0

200

400

600

800

1000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

TG1TG2

TG3TG4

TG5

TG6

Průměr TG1+TG2+TG3+TG4

Čas, min

Teplota plynu, °C

Obr. 5 Naměřené hodnoty teploty plynu 300 mm pod stropem požárního úseku

0

200

400

600

800

1000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135

Parametrická teplotní křivka

OZone v2

Průměr TG1+TG2+TG3+TG4

Čas, min

Teplota plynu, °C

Předpověď zónovým modelem

Obr. 6 Porovnání teploty plynu vypočítané parametrickou křivkou, programem Ozon se střední změřenou teplotou plynu

7

a) b) Obr. 7 a) Omezení hoření ventilací v 15 min požáru

b) Plně rozvinutý požár v 60 min požáru

5.2 Ohřev nosníku vystaveného lokálnímu požáru Postup výpočtu teploty nosníku při lokálním požáru je shrnut ve výpočtu řešeného příkladu, který přibližně odpovídá situaci při požárním experimentu. Vypočtěte tepelný tok dopadající na strop a nejvyšší teplotu průvlaku z profilu I 300 při lokální požáru. Výška požárního úseku je 2,8 m, plocha ohně 1,0 m2, výška hranice z dřevěných hranolů 0,65 m, objem paliva 0,33 m3, nosník leží ve vzdálenosti 0,5 m od osy požáru, viz obr. 8. ___________________________________________________________________________

I 180

+6,45

+9,503. NP

2. NP

2,8 m

0,5 m

Půdorys Řez

Obr. 8 Průvlak vystavený lokálnímu požáru

5.2.1 Uvolňování tepla Největší rychlost uvolňování tepla RHR lze podle typu provozů stanovit podle ČSN EN

1991-1-2 čl. E.3(2) tab. E.5, pro dřevěné hranoly 50 x 50 x 1 000 mm se uvažuje s hodnotou Qmax = 1 250 kWm-2. Doba potřebná pro dosažení rychlosti uvolňování tepla 1 MW se stanoví podle ČSN EN 1991-1-2 tab. E.5, pro dřevěné hranoly lze počítat s tα = 300 s. Rychlost uvolňování tepla do dosažení nejvyšší rychlosti se stanoví jako

( )2610 αt/tQ ⋅= viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.4(1) rov. (E.5). Při objemové hmotnosti paliva 500 kg m-2 a jeho výhřevnosti 1,47 1050 J kg-1 je množství energie v palivu asi Qf,k = 2,9 109 J. Popis význačných bodů na křivce rychlosti uvolňování tepla je popsán v Příloze E ČSN EN 1991-1-2. Graf je zobrazen na obr. 9. Prvním význačným bodem na křivce je dosažení nejvyšší

8

rychlosti uvolňování tepla Předpokládá se, že rychlost hoření začne lineárně klesat při vyhoření 70 % paliva, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. E.4(5). Doba, za kterou palivo vyhoří, lze stanovit jako

tc = 0,6 Qf,k / Qmax

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 15 30 45 60 Čas, min

Množství uvolňovaného tepla-210 , kWm6

Obr. 9 Rychlost uvolňování tepla během požáru

Výpočet tepelného toku je dále textu ukázán v 30. min požáru. Rozvoj tepelného toku a teploty průvlaku v čase se počítá v přírůstcích 1 s tabulkovým procesorem. Průběžné výsledky jsou zobrazeny na obr. 10 až 12.

5.2.2 Tepelný tok Vzdálenost mezi zdrojem požáru a stropem

H = 2,8 - 0,65= 2,15 m Náhradní průměr ohně D = (4 A / π)1/2 = (4 1,0 /π)1/2 = 1,128 m Délka plamene v 30. min požáru, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(2) rov. (C.1), Lf = - 1,02 D + 0,0148 Q2/5 = - 1,02 ⋅ 1,13+ 0,0148 ⋅ (1,25⋅ 103)2/5 = 2,91 m < 2,8 - 0,65 m

Plamen ve 30. min zasahuje strop. Součinitel rychlosti uvolňování tepla, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(8) rov. (C.6), ( )52610111 ,*

H H,/QQ ⋅⋅= ( )5266 1521011110251 ,,,/, ⋅⋅⋅= = 0,166 Vodorovná délka plamene, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(7) rov. (C.5), H)Q(H,L ,*

Hh −= 33092 = 152166015292 330 ,),(,, , −⋅ = 1,298 m Součinitel, který redukuje uvolňování tepla o vliv omezení výšky, viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(9) rov. (C.8), ( )52610111 ,*

D D,/QQ ⋅⋅= = ( )5266 12811011110251 ,,,/, ⋅⋅⋅ = 0,832 Poloha virtuálního zdroje tepla ve svislém směru v případě *

DQ < 1,0; viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(9) rov. (C.7), ( )325242 /*

D/*

D QQD,z −= = ( )3252 8320832013142 // ,,,, −⋅ = 0,120 m

9

Čas, min0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 15 30 45 60

Vodorovná délka plamene, m

Obr. 10 Vodorovná délka plamene

Pro vodorovnou vzdálenost mezi svislou osou ohně a bodem u stropu je r = 0,5 m se podle ČSN EN 1991-1-2 čl. C(5) rov. (C.1) stanoví se součinitel

zHL

zHry′++′++

=h

= 120015229811200152500,,,,,,

++++ = 0,7763

Pro 0 < y ≤ 1,0 se tepelný tok dopadající na jednotku povrchové plochy, viz obr. 1.16, stanoví jako

= 136 300 – 121 000 y = 136300 – 121000 ⋅ 0,776 = 42 366 W m-2

-2,E+04

-1,E+04

0,E+00

1,E+04

2,E+04

3,E+04

0 15 30 45 60 75 Čas, min

Čistý teplený tok, Wm -2

Obr. 11 Tepelný tok dopadající na jednotku povrchové plochy během požáru

Čistý teplený tok dopadající na jednotku povrchové plochy viz ČSN EN 1991-1-2 čl. C(10) rov. (C.9), stanoví jako ( ) ( )[ ]44

mfmmcnet,d 29327320 −+Φ−−−= θσεεθαhh && kde se součinitel přestupu tepla prouděním uvažuje αc = 25 Wm-2K-1, polohový faktor Φ = 1; povrchová emisivita prvku εM = 0,7; emisivita požáru εf = 1 a Stefan-Boltzmannova konstanta σ = 5,67 10-8 W m-2 K-4. Při teplotě průvlaku 631,4°C je čistý teplený tok dopadající na jednotku povrchové plochy

( ) ( )[ ]=−+⋅⋅⋅⋅−−−= −=

44830mintd,net, 2932733608106750170012046312542366 ,,,,,,h&

= 631 Wm-2

5.2.3 Přestup tepla do konstrukce Teplota nechráněné průvlaku se stanoví po přírůstcích z výrazu (4.25) v ČSN EN 1993-1-2 čl. 4.2.5.1(1), viz [6], ze vztahu

0137016317850766

1317850

13101 ,thc

,thc

V/Ak d,neta

d,netaa

msht,a =⋅⋅

⋅≈Δ=Δ=Δ

ρθ

10

kde se součinitel zastínění ksh = 1,0; součinitel průřezu ocelového prvku Am/V = 131 m-1, hustota oceli 7850 kgm-3; měrné teplo oceli, viz ČSN EN 1993-1-2 čl. 3.4.1.2(1) rov. (3.2),

- pro 20 °C ≤ θa < 600 °C jako ca = 425 + 7,73 10-1 θa - 1,69 ⋅ 10-3 θa

2 + 2,22 ⋅ 10-6 θa3 J kg-1 K-1

- pro 600 °C ≤ θa < 735 °C jako ca = 666 + ( )θ a/ −73813002 J kg-1 K-1 - pro 735 °C ≤ θa < 900 °C jako ca = 545 + ( )73117820 −θ a/ J kg-1 K-1 - pro 900 °C ≤ θa ≤ 1200 °C jako ca = 650 J kg-1 K-1

Konzervativně lze uvažovat ca = 600 J kg-1 K-1. Postup výpočtu je dokumentován v tab. 1.2 a teplota průvlaku během požáru na obr. 1.17. Tab. 2 Stanovení teploty prvku tabulkovým procesorem

Čas

, min

Virt

uáln

í poč

átek

osy

, m

Dél

ka p

lam

ene,

m

Tepl

. v o

blak

u hoř p

lynů

, °C

Souč

.uvo

lň. t

ep.n

a prům

. lok

. pož

.

Svis

lá p

oloh

a vi

rt. z

droj

e te

pla,

m

Souč

. ryc

hlos

ti uv

olň.

tepl

a

Vod

orov

ná d

élka

pla

men

e, m

Souč

inite

l

Tep.

tok

na je

dn. p

ovrc

hu p

loch

y

Tep

lota

pov

rchu

prv

ku, °

C

Čis

tý te

peln

ý to

k, W

m-2

Přírů

stek

tepl

oty

prův

laku

, °C

t z0 Lf θz, °C Q*D z´ Q*H Lh y h& θm h´net Δθa,t

0,00 0,00 -1,15 20,000 0,0E+00 0,000 0 0 1,56 0,00 20,00000 0,00 0,00E+000,02 -1,14 -1,11 20,171 7,4E-06 0,023 1,48E-06 0 1,56 4,33 20,00016 4,33 1,64E-04 0,03 -1,13 -1,08 20,440 3,0E-05 0,039 5,91E-06 0 1,55 10,96 20,00058 10,96 4,16E-04 0,05 -1,12 -1,06 20,757 6,7E-05 0,053 1,33E-05 0 1,55 18,91 20,00130 18,91 7,18E-04

29,97 0,29 - - 8,3E-01 0,1200 0,166 1,298 0,7763 42 366 608,277 634,89 1,38E-02 29,98 0,29 - - 8,3E-01 0,1200 0,166 1,298 0,7763 42 366 608,290 632,83 1,38E-02 30,00 0,29 - - 8,3E-01 0,1200 0,166 1,298 0,7763 42 366 608,304 630,77 1,37E-0230,02 0,29 - - 8,3E-01 0,1200 0,166 1,298 0,7763 42 366 608,318 628,72 1,37E-02 30,03 0,29 - - 8,3E-01 0,1200 0,166 1,298 0,7763 42 366 608,332 626,68 1,36E-02

11

0

100

200

300

400

500

600

0 15 30 45 60

Teplota průvlaku, °C

Čas, min Obr. 12 Teplota nechráněného průvlaku z profilu I 300 vypočítaná po přírůstcích 5 s

5.2.4 Porovnání s experimentem Řešený příklad přibližně popisuje zkoušku ČVUT v Praze na objektu odstředivek

Čpavkárny II v areálu koksovny Mittal Steel Ostrava dne 15.5.2006, viz obr. 13 [5]. Hlavním cílem pokusu bylo prohloubení poznatků o teplotě sloupů při místním požáru, viz obr. 14. Obr. 15 ukazuje rozvoj teplot v požárním úseku při lokálním požáru. Porovnání vypočítané teploty průvlaku pomocí analytického modelu a naměřené teploty při zkoušce je ukázáno na obr. 16. Výpočet odpovídá naměřeným geometrickým a materiálovým charakteristikám paliva. Termočlánek TC1 byl umístěn na středu průvlaku ne středu horního povrhu ramene pásnice, termočlánek TG7 nad hranou hranice 400 mm pod stropem. Je vidět, že předpověď teploty nosníku analytickým modele je výstižná a konzervativní. Při výpočtu teploty stropnice zónovým modelem se vychází z předpovědi teploty plynu v ohni a v požárním úseku, viz obr. 17. Výpočet v tomto případě vhodně zahrnuje i velikost požárního úseku. Zónový model velmi přesně předpovídá teplotu prvku v ose plamene. Pro průvlak, který je na kraji plamene, byla jeho teplota stanovena jako průměr z teplot v plameni a mimo plamen, viz obr. 18.

TG7

+6,45

+9,503. NP

2. NP0,55 m

TC1TG7TC1

Půdorys Řez

400

TG2TG3

TG2

TG3

TC2

TC2

TC3

TC3

Obr. 13 Poloha termočlánků při zkoušce

12

Obr. 14 Pohled na experiment před zkouškou a v 15. min a 45. min požáru

0

200

400

600

800

0 15 30 45

Teplota plynu, TG7Teplota, °C

Čas, min

Teplota průvlaku, TC1

Teplota stropnice, TC2, TC3

Teplota stropnice, TC4, TC5

TC1

I 180

I 300

I 180

0

200

400

600

800

0 15 30 45

Teplota průvlaku, °C

Čas, min

Změřeno, TC1

Vypočteno

Obr. 15 Teploty změřené při lokálním požáru

Obr. 16 Porovnání teploty průvlaku vypočítané analytickým modelem

s naměřenými hodnotami

0

200

400

600

800

0 15 30 45 60

Změřeno u průvlaku TG3

Změřeno v plameni, TG2

Teplota plynu, °C

Čas, min

Vypočteno mimo plamen

Vypočteno v plameni

0

200

400

600

800

0 15 30 45 60

Teplota průvlaku, °C

Čas, min

Změřeno, TC1

Vypočteno

Obr. 17 Teploty plynů vypočítané zónovým modelem a naměřené hodnoty

v plameni a mimo něj

Obr. 18 Teploty průvlaku vypočítané zónovým modelem z průměru teplot plynu

a plamene a naměřené hodnoty

13

6 MECHANICKÉ ZATÍŽENÍ PŘI POŽÁRU Požadavky na zatížení při požární návrhové situaci jsou shrnuty kap. 4 dokumentu ČSN

EN 1993-1-2:2004, viz obr. 19 podle [7]. Hodnoty zatížení se berou z jednotlivých norem ČSN EN 1991-1-x. Zatížení se kombinuje podle ČSN EN 1990: 2004.

7 SHRNUTÍ Mechanické zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru je nižší než na jaké se konstrukce navrhují při mezním stavu únosnosti za běžné teploty, což při degradaci materiálu při vysokých teplotách přináší část spolehlivosti konstrukcí. Nominální normová teplotní křivka je osvědčené přiblížení popisu rozvoje teploty při prostorovém požáru po celkovém vzplanutí. Při současné úrovni poznání a využití informační techniky se pro zpřesněné modely globální analýzy, které se požívají pro návrh konstrukcí za běžné teploty, nahrazuje dokonalejšími modely popisu rozvoje tepla při požáru. Připravované integrované modely navrhování konstrukcí se zaměřují na využití poznatků z dynamické analýzy plynů a výzkumů popisu chování styčníků konstrukcí.

8 OZNÁMENÍ Práce, která prezentuje výsledky projektu GAČR 103/07/1142, vznikla v rámci projektu Celoživotní vzdělávání v požární ochraně, JPD3 MHMP CZ.04.3.07/3.2.01.2/2091, který je podpořen z ESF, státního rozpočtu ČR a rozpočtu HMPH, jehož výstupy lze nalézt na internetové stránce URL: www.fsv.cvut.cz/pozarni.odolnost, viz [7].

9 LITERATURA [1] ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí, Obecná zatížení, Zatížení konstrukcí

vystavených účinkům požáru, ČSNI, Praha 2004. [2] Fontana M., Favre J.P., Fetz: A survey of 40 000 building fires in Switzerland, Fire

Safety Journal, 32, 1999, s. 137-158. [3] Kallerová P., Wald F.: Požární zkouška na skutečném objektu, Dílčí výzkumná zpráva,

CIDEAS, ČVUT v Praze, Praha 2006, 18 s., URL: www.cideas.cz. [4] Wald F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, České vysoké učení

technické v Praze, Praha 2005, 336 s., ISBN 80-0103157-8. [5] Rázl R., Wald F.: Teplota konstrukce při lokálním požáru, Dílčí výzkumná zpráva,

CIDEAS, ČVUT v Praze, Praha 2006, 23 s., URL: www.cideas.cz. [6] ČSN EN 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování

konstrukcí na účinky požáru, ČSNI, Praha 2006. [7] Wald F., Sokol, Z.: Zatížení konstrukcí podle ČSN EN 1991-1-2: 2004, v Navrhování

konstrukcí na účinky požáru podle evropských norem 1. vyd. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2007. 124 s. ISBN 978-80-01-03580-1.

14

VÝPOČET MECHANICKÝCH ZATÍŽENÍ

Výpočet charakteristických zatížení pro trvalou návrhovou situaci; za běžné teploty

EN 1990:2002 kap. 6EN 1991-1-1:2002; vlastní tíha

EN 1991-1-3:2003; sníhEN 1991-1-4:2003; vítr

EN 1991-1-4:2005; sila a zásobníky

Kombinace zatížení při trvalé návrhové situaci

EN 1990:2002 rov. 6.9

NA ČR EN 1991-1-2:2003 čl. NA 2.10 doporučuje pro zatížení sněhem a větrem uplatnit časté hodnoty kombinace 1,1 Q1

Kombinace zatížení při mimořádné návrhové situaci

EN 1990:2002 rov. 6.11bEN 1990:2002 Tab. 1.1

NA ČR EN 1990:2002 Tab. NA A1.3NA ČR EN 1990:2002 NA 2.6

EN 1991-1-2:2003 čl.4.3.1

Analýza konstrukce za běžné teploty NE

ANO

Redukční součinitel úrovně zatíženífi

EN 1992-1-2:2005 čl.2.4.2EN 1993-1-2:2005 čl.2.4.2EN 1994-1-2:2005 čl.2.4.2EN 1995-1-2:2005 čl.2.4.2EN 1996-1-2:2005 čl.2.4.2

Jako hrubé konzervativní přiblížení lze uvažovat pro

betonové konstrukce podle EN 1992-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,70,ocelové konstrukce podle EN 1993-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65,ocelobetonové konstrukce podle EN 1994-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65,dřevěné konstrukce podle EN 1995-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65,zděné konstrukce podle EN 1996-1-2:2005 čl.2.4.2 s fi = 0,65;

s výjimkou skladů, kde se doporučuje fi = 0,70.

Pokračování ze stránkyZatížení konstrukcí vystavených požáru

Zadání (známé):geometrie konstrukcekategorie užitných zatíženívlivy prostředí

Zpět na stránkuZatížení konstrukcí vystavených požáru

Zpět na stránkuZatížení konstrukcí vystavených požáru

Obr. 19 Postup výpočtu mechanického zatížení konstrukce vystavené účinkům požáru