Možnosti zabezpečenia požiarnej odolnosti ocel'ového nosníka

Úvod

Protipožiarny návrh konštrukcií je už nejaký čas nevyhnutnou súčasťou statického výpočtu. Vzhľadom na vysokú tepelnú vodivosť ocele a subtílnosť prierezov majú vysoké teploty zvlášť nepriaznivý vplyv na oceľové konštrukcie. Teploty v prierezoch rýchlo narastajú a veľmi skoro dochádza ku degradácii mechanických vlastností. Dôsledkom toho je, že oceľové konštrukcie treba kvôli dosiahnutiu požadovanej požiarnej odolnosti chrániť. Tento fakt ich cenovo znevýhodňuje v porovnaní s betónovými konštrukciami. Cieľom tohto článku je ukázať spôsoby návrhu v prípade prvku požadovanou požiarnou odolnosťou R30.

Výpočet teplôt v požiarnom úseku

Pre ekonomický a bezpečný návrh prvku je dôležité správne určenie teplôt plynu v požiarnom úseku. To je väčšinou v kompetencii požiarneho inžiniera, ale nie je na škodu, keď má o tejto oblasti prehľad aj statik.

Obr. 1 – Program Ozone

Najzákladnejším spôsobom určenia teplôt v požiarnom úsekom je výpočet teplôt podľa normalizovanej teplotnej krivky ISO 834. Je to základná krivka, na ktorej sú založené všetky časti konštrukčných eurokódov týkajúce sa navrhovania na účinky požiaru, ako aj väčšina skúšok požiarne ochranných materiálov. S určitou pravdepodobnosťou vystihuje teploty pri bežných požiaroch, avšak nezohľadňuje veľkosť požiarneho zaťaženia či prísun kyslíka. Má len stúpajúcu vetvu, takže nie je možné určiť, kedy bude dosiahnutá maximálna teplota, ani určiť postup chladnutia. Presnejšie je použitie parametrickej teplotnej krivky podľa STN EN 1991-1-2. Parametrická krivka zohľadňuje veľkosť požiarneho zaťaženia, prístup kyslíka ako aj materiál ohraničujúcich konštrukcií a veľkosť požiarneho úseku. Vďaka tomu je výpočet teplôt oveľa presnejší a je možné s určitou pravdepodobnosťou určiť maximálnu teplotu a čas, v ktorom bude dosiahnutá. Parametrická teplotná krivka ako aj krivka podľa ISO 834 vyjadrujú priebeh teplôt v požiarnom úseku po priestorovom vzplanutí.

Najpresnejšie je určenie teplôt pomocou zdokonalených požiarnych modelov, založených na princípoch zachovania hmoty a energie, ktoré ale vyžadujú použitie metódy konečných prvkov. Na týchto modeloch je založený napr. voľne dostupný program Ozone (Obr. 1).

Výpočet požiarnej odolnosti prvku

Obr. 2

V nasledovnom bude ukázané, akými spôsobmi sa dá dosiahnuť požadovaná 30minútová požiarna odolnosť oceľového nosníka. Na konkrétnom príklade je ukázané, ako sa dajú ovplyvniť teploty plynu a teda aj ocele napríklad zmenou veľkosti okien alebo zmenou protipožiarnych opatrení.

Návrh a posúdenie oceľového nosníka je ukázaný na príklade strešného prievlaku 4podlažného rámu, ktorého požadovaná požiarna odolnosť je 30’. Jedná sa o kancelársku budovu so vzdialenosťami priečnych rámov 7,0 m (Obr. 2).

Na normálnu teplotu bol navrhnutý prierez prievlaku ako IPE 600 z ocele S235 pre návrhovú hodnotu zaťaženia 11,4 kN/m². Pre požiarnu situáciu bolo návrhové mechanické zaťaženie vypočítané z mimoriadnej kombinácie zaťažení ako 6,6 kN/m². Tomu zodpovedá maximálny ohybový moment v požiarnej situácii M_fi,Ed = 324,8 kNm.

Prierezový súčiniteľ profilu IPE 600 ohrievaného z troch strán je 114,7. Pre známy moment, pomernú štíhlosť pri klopení (λ̅ _LT = 0,32) a prierezový súčiniteľ je potom možné určiť kritickú teplotu (t.j. teplotu, pri ktorej ohybová odolnosť nosníka za požiaru M_b,fi,Rd klesne na úroveň ohybového momentu M_fi,Ed = 324,8 kNm), ktorá v tomto prípade bola 625 °C.

Úlohou teda je, aby oceľový prvok v časovom intervale 30 minút nedosiahol teplotu vyššiu ako 625 °C.

V danom príklade boli teploty plynu počítané tromi spôsobmi: podľa ISO 834, parametrickou požiarnou krivkou a programom Ozone (dvojzónový model).

Pri výpočte ISO krivky je jedinou premennou čas. Pri výpočte parametrickej krivky a pri použití programu Ozone je nutné poznať rozmery požiarneho úseku, veľkosť okien (prísun kyslíka), skladbu konštrukcií ohraničujúcich požiarny úsek (t.j. stien a stropov) ako aj návrhovú hodnotu požiarneho zaťaženia. Uvažovalo sa s tromi modelmi, ktoré sa odlišovali veľkosťou okien a jedným z protipožiarnych opatrení.

Spoločné vstupné hodnoty pre parametrickú teplotnú krivku a pre Ozone:

• rozmery požiarneho úseku (PÚ) sú 7,5 × 14,0 m,
• podlaha a strop sú tvorené železobetónovou doskou z ľahkého betónu a sádrokartónového podhľadu. Steny sú z ľahkých tehál so sádrovou omietkou.

Rozdielne vstupy pre jednotlivé modely sú zosumarizované v Tab. 1. Návrhové požiarne zaťaženie uvedené v tabuľke bolo určené programom Ozone pre kancelárie a pre automatické detekčné zariadenia aktivované teplom alebo dymom.

Tab. 1 – Rozdielne vstupy pre modely 1 až 3

Z Obr. 3 je zrejmé, ako jednotlivé vstupy ovplyvňujú priebeh teplôt plynu v požiarnom úseku. Prvý výrazný rozdiel je v priebehu teplôt podľa parametrickej krivky a podľa Ozone. Rozdiel v maximálnych dosiahnutých teplotách nie je výrazný, ale podľa Ozone sú dosiahnuté značne neskôr. Je to spôsobené tým, že program Ozone je založený na presnejšej výpočtovej metóde, ktorá počíta teploty aj pred priestorovým vzplanutím (flashover), kým parametrická krivka, tak ako aj ISO krivka, vystihuje stav až po flashover.

Ďalej je zjavné, že zmena prístupu kyslíka má výrazný vplyv na maximálne dosiahnuté teploty. Ďalším zvyšovaním prísunu kyslíka už podľa parametrickej krivky zníženie teploty nedosiahneme, pretože ďalší výpočet je pre požiar riadený palivom. Zníženie požiarneho zaťaženia o 80 MJ/m² spôsobilo v prípade parametrickej krivky menej výrazný pokles teplôt a v prípade Ozone kratšiu dobu trvania fázy ohrievania.

V tomto konkrétnom prípade je v časovom intervale 30 min ISO krivka na strane menej bezpečnej.

Obr. 3 – Priebeh teplôt v požiarnom úseku

Teploty nechráneného prvku pre krivku ISO a pre parametrickú krivku boli vypočítané podľa STN EN 1993-1-2 v programe Excel, teploty prvku pre dvojzónový model boli prevzaté z Ozone (Obr. 4). Z grafu vidno, že nechránený nosník podľa žiadnej z kriviek nevyhovuje na 30minútovú požiarnu odolnosť, pretože maximálne teploty, ktoré dosahuje v tomto časovom intervale, sú vyššie ako 625 °C. Požadovanú požiarnu odolnosť dosiahneme použitím požiarne ochranných materiálov. Pre daný príklad boli použité tri typy: obklad cemento-vápenitými doskami (λ = 0,175 W/mK; ρ = 870 kg/m³), nástrek na báze minerálnych vlákien a silikátových plnív (λ = 0,08 W/mK; ρ = 450 kg/m³) a napeňujúci náter.

Obr. 4 – Teplota nechráneného oceľového prierezu

Obr. 5 – Teplota chráneného oceľového prierezu

Tab. 2 – Porovnanie modelov

Potrebné hrúbky obkladu a nástreku boli vypočítané podľa STN EN 1993-1-2 programom Excel z teplôt plynu podľa parametrickej teplotnej krivky. Prierezový súčiniteľ prvku chráneného nástrekom je taký istý ako pre nechránený prvok, v tomto konkrétnom prípade ohrievaný z troch strán; A_m /V = A_p /V = 115 m⁻¹. Prierezový súčiniteľ prierezu chráneného obkladom je
(A_p /V)_box = 91. V Tab. 2 sú uvedené najskôr hrúbky potrebné na dosiahnutie požadovanej požiarnej odolnosti s ohľadom na reálne minimálne hrúbky udávané výrobcom. Pre porovnanie sú uvedené aj teoretické potrebné hrúbky bez ohľadu na realizovateľnosť. Potrebná hrúbka napeňujúceho náteru bola určená z dimenzačnej tabuľky výrobcu pre prierezový súčiniteľ 120 a návrhovú teplotu 600 °C.

Ako vidno z výsledkov v tabuľke, skutočne potrebné hrúbky ochranných materiálov, najmä v prípade modelov 2 a 3, sú veľmi malé. Preto je v tomto prípade vhodnejšie dosiahnuť požadovanú požiarnu odolnosť predimenzovaním prvku.

Aby sa príliš nezväčšila hmotnosť prvku bolo potrebné použiť kvalitnejší materiál. Danému momentu M_fi,Ed vyhovuje zváraný prierez s výškou 720 mm (pásnica 300×20 a stena 680×10) z ocele S355. Nosník bol nadimenzovaný na teploty modelu 3 (Tab. 2). Tým, že je nosník predimenzovaný (zväčšenie prierezu a zvýšenie triedy ocele), stúpla aj kritická teplota.

Tab. 3 – Rozdielne vstupy pre modely 4 až 6

Všetky dosiaľ spomínané opatrenia však viac či menej zvyšujú cenu konštrukcie, prípadne aj celkovú hmotnosť.

Skúsme preto ovplyvniť priebeh teplôt v intervale 30 minút pokiaľ možno bez navýšenia ceny. Pri určovaní teplôt plynu a ocele budeme v ďalšom vychádzať z programu Ozone, pretože je založený na najpresnejšom modeli.

Teplotné modely 4–6 vychádzajú z modelu 3. Ako vidno z Obr. 6, ďalším miernym zväčšením okien celkom výrazne klesla teplota plynu a tým aj ocele. Teplota ocele je však 629 °C, čo je o málo viac ako 625 °C. Zmenou materiálu v stenách – ľahké tehly za normálne – dosiahneme ďalšie malé zníženie teploty plynu, takže teploty nechráneného nosníka IPE 600 budú 612 °C podľa modelov 5 a 6. Keďže v tomto prípade sledujeme požiarnu odolnosť len prvých 30 minút, bolo by dokonca možné vypustiť detekčné zariadenia aktivované dymom. Tým sa zvýši požiarne zaťaženie, ale neovplyvní to teploty v sledovanom časovom intervale (Obr. 6).

Obr. 6 – Teploty plynu a nechráneného oceľového prierezu

Záver

Určovanie teplôt v požiarnom úseku je väčšinou úlohou požiarneho inžiniera, avšak je dobré vedieť, že ak je to možné, teploty v požiarnom úseku možno ovplyvniť napríklad zmenou veľkosti okien alebo skladbou ohraničujúcich konštrukcií. Vďaka dostupnému softvéru, jednoduchému na použitie, je možné predbežne prepočítať viaceré požiarne scenáre a v prípade krátkej požadovanej požiarnej odolnosti overiť, či je možné dosiahnuť ju bez ochrany oceľového prvku.

Literatúra a použité zdroje

1. STN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zaťaženia konštrukcií. Časť 1-2: Všeobecné zaťaženia – Zaťaženie konštrukcií namáhaných požiarom
2. STN EN 1993-1-1: Eurokód 3: Navrhovanie oceľových konštrukcií – Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby
3. STN EN 1993-1-2 Eurokód 3: Navrhovanie oceľových konštrukcií – Časť 1-2: Všeobecné pravidlá – Navrhovanie konštrukcií na požiar
4. Wald F. a kolektív: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí. Vydavatelství ČVUT, Praha 2005
5. Bellová M., Olbřímek J., Osvald A., Procházka J., Štujberová M.: Navrhovanie konštrukcií na požiarnu odolnosť podľa eurokódov – Teória. Inžinierske konzultačné stredisko SKSI, Bratislava 2010. ISBN 978-80-89113-69-9
6. Bellová M., Olbřímek J., Osvald A., Procházka J., Štefan R., Štujberová M.: Navrhovanie konštrukcií na požiarnu odolnosť podľa eurokódov – Príklady. Inžinierske konzultačné stredisko SKSI, Bratislava 2010. ISBN 978-80-89113-70-5
7. https://www.seidl.cz/