strucno usavrsavanje 02-04-2009 peros

OTPORNOST KONSTRUKCIJA NA POŽAR

SVEUČILIŠTE U SPLITUGRAĐEVINSKO - ARHITEKTONSKI FAKULTET

Katedra za metalne i drvene konstrukcije

Split, 02. travnja 2009.

Prof. dr. sc. Bernardin PerošDoc. dr. sc. Ivica Boko

Program stručnog usavršavanja2008./2009.

OPĆA PROBLEMATIKA ZAŠTITE OD POŽARA

ZAKON O GRADNJI: ZAHTJEVI ZA PROJEKTIRANJE I GRAĐENJE OBJEKATA U SLUČAJU POJAVE POŽARA

• Spriječiti širenje vatre i dima unutar građevine• Spriječiti širenje vatre na susjedne građevine• Osigurati da stanari mogu neozlijeđeno napustiti građevinu(omogućiti njihovo spašavanje)

• Omogućiti sigurnost u radu spasilačke ekipe

• Očuvati nosivost konstrukcije tijekom određenog zahtijevanog vremena (R30, R60, R90…)

PRORAČUN OTPORNOSTI KONSTRUKCIJA

ARHITEKTONSKOPROJEKTIRANJE

Mjere i smjernice za zaštitu ljudi i imovine u slučaju požara

Crtež 1. Industrijski objekt nakon ugašenog požara

2

3

Razvoj realnog požara može se promatrati u nekoliko faza (crtež 2).

• MODELI POLJA

• MODELI ZONAOvisno o karakteristikama objekta i požarnom opterećenju te mjerama i smjernicama za zaštituljudi i imovine može se izraditi scenario razvoja požara u objektu.

Crtež 2. Faze realnog požara u vremenu

RAZVOJ REALNOG POŽARA

4

KONCEPT SIGURNOSTI KONSTRUKCIJA U POŽARU

• Primjenom znanstvenih metoda u proračunu realnog požarnog opterećenja u objektima treba odrediti stupanj sigurnosti nosivih konstrukcija.

• Odrediti vrijeme otpornosti (sigurnosti) konstrukcije na realni požar tfi,d.• S aspekta sigurnosti konstrukcije odrediti zahtijevano vrijeme potrebno za

evakuiranje ljudi i zaštitu imovine tfi,requ (rad vatrogasnih i specijalnih jedinica za intervencije u slučaju požara).

Format sigurnosti konstrukcije u požaru iskazuje se odnosom tfi,d > tfi,requ .

Statičkaopterećenja

VjetarVlastita težinaDodatno stalno opt.Snijeg

Požarne karakteristike

Požarno opterećenjeUvjeti prozračivanjaGeometrijaToplinske karakteristikezaštitnih elemenata

Probabilistički aspekti

Aktivne mjere zaštiteod požaraPožarni rizik

Zahtijevano vrijeme (evakuacija)

Zahtijevana otpornostkonstrukcije na požar

Kombinacija s izvanrednim (udesnim) djelovanjem

θ

t

Krivulja realnog požara

Temperaturna krivulja-udesno djelovanje nakonstrukciju

GLOBALNO PONAŠANJEKONSTRUKCIJE t fi,d > tfi,requ

5

KONCEPT SIGURNOSTI KONSTRUKCIJA U POŽARU

Navedeni prikaz uvodi nas u novi pristup PRORAČUNU OTPORNOSTI KONSTRUKCIJA NA POŽAR gdje se primjenom znanstvenih metoda i proračunskih modela na temelju realnog požarnog opterećenja provodi proračun konstrukcija izloženih požaru (visoke temperature –IZVANREDNO DJELOVANJE NA KONSTRUKCIJE).

Proračun se sukladno preporukama EUROCODE provodi dokazom u tri područja:

- VREMENU

- TEMPERATURI

- NOSIVOSTI (ČVRSTOĆI)

Ovaj koncept kao što smo vidjeli temelji se metodološki na statističkim analizama i podrazumijeva primjenu suvremenih probabilističkih metoda, tj. daje mogućnost inženjerskog pristupa u proračunu zaštite i sigurnosti konstrukcija od požara. Riječ je o analizi REALNOG POŽARA i proračunu parametarskih krivulja temperatura-vrijeme. Slijedom ovakvog pristupa moguća je i kvantifikacija i procjena rizika kod otkazivanja nosivosti konstrukcija u slučaju djelovanja požara.

6

ISTRAŽIVANJA DJELOVANJA REALNOG POŽARA

Raniji koncept proračuna djelovanja požara temeljio se samo na primjeni modela normiranog požara – Standardni požar definiran ISO krivuljom koja daje ovisnost porasta temperature u vremenu. Standardna krivulja temperatura - vrijeme ne odgovara analizi požara u velikim prostorima - skladištima te se može koristiti u ispitnim pećima za određivanje razine otpornosti konstrukcijskih elemenata u slučaju požara. Prema EUROCODE primjenjuju se obje krivulje.

Crtež 3. Usporedba ISO standardne temperaturne krivulje i parametarskih krivulja realnog požara u skladišnim prostorima (50 požarnih testova)

ISO KRIVULJA

7

ISPITIVANJE POŽARNOG DJELOVANJA NA AUTOMOBILE U GARAŽAMA

8

NAČELA PRORAČUNA KONSTRUKCIJA U SLUČAJU DJELOVANJA POŽARA

• Analiza dostatne nosivosti konstrukcija u požaru temelji se na konceptu proračuna kao i za normalne temperature s tim što se ovdje u kombinaciji opterećenja uzima i djelovanje požara kao izvanredno (udesno) djelovanje.

• Utjecaj djelovanja požara na konstrukcije u nekom prostoru određuje se vrijednošćumaksimalne ostvarene temperature u tom prostoru ovisno o požarnom opterećenju, veličini i ventilaciji prostora.

• Realno djelovanje požara na konstrukcije iskazuje se parametarskom krivuljom temperatura – vrijeme koja se odredi na temelju relevantnih fizičkih parametara i za koju se izračuna otpornost konstrukcije primjenom računskih modela po načelimatermodinamike.

• U proračunu se također uzima smanjenje otpornosti presjeka uslijed degradacije svojstva materijala na visokim temperaturama.

SW

T ≅ 800 0C

Crtež 4. Sheme opterećenja glavne nosive konstrukcije industrijske hale

9

ZAKON O PROSTORNOM UREĐENJU I GRADNJI (2007.)

MEHANIČKA OTPORNOST ISTABILNOST

EN-1990

EN-1991

EN-1992

EN-1993

EN-1994

EN-1995

EN-1996

EN-1997

EN-1998

EN-1999

EN-1991-1-2

EN-1992-1-2

EN-1993-1-2

EN-1994-1-2

EN-1995-1-2

EN-1996-1-2

EN-1999-1-2

∆t = ??

BITNI ZAHTJEVI ZA GRAĐEVINU:

- mehanička otpornost i stabilnost- zaštita od požara- higijena, zdravlje i zaštita okoliša

- sigurnost u korištenju - ZAŠTITA NA RADU

- zaštita od buke- ušteda energije i toplinska zaštita

kontrola projekta(ovlašteni revident)

djelovanja nakonstrukcije

betonskekonstrukcije

čeličnekonstrukcije

spregnutekonstrukcije

drvenekonstrukcije

zidanekonstrukcije

aluminijskekonstrukcije

POSEBAN PROPIS

ZAŠTITA OD POŽARA

KONTROLAPROJEKTA

HRVATSKA

• nosivost konstrukcije tijekom određenog vremena• širenje vatre i dima unutar građevine• širenje vatre na susjedne građevine• spašavanje i evakuacija ljudi

ZAKON O POŽARU(4 pravilnika)

PREGLED GRAĐEVINSKE REGULATIVE S ASPEKTA DJELOVANJA POŽARA NA KONSTRUKCIJE

10

(»Narodne novine« br. 112/08)TEHNIČKI PROPIS

ZA ČELIČNE KONSTRUKCIJE

(1) Iznimno od odredbi članka 16. ovoga Propisa, u razdoblju do 31. prosinca 2010. godine na projektiranje čeličnih konstrukcija primjenjuju se priznata tehnička pravila i odredbe Priloga »G« ovoga Propisa.(2) Prilogom »G« iz stavka 1. ovoga članka pobliže se određuje projektiranje čeličnih konstrukcija iz toga stavka ovoga članka.(3) U razdoblju određenom stavkom 1. ovoga članka, pouzdanost čeličnih konstrukcija može se utvrditi i na temelju znanstveno potvrđenih teorija ili eksperimenata, ako se time dokazuje pouzdanost utvrđena priznatim tehničkim pravilima i odredbama priloga »G« ovoga Propisa.

Članak 17.

G.2.6 Za otpornost na požar primjenjuju se djelovanja određena HRN ENV 1991-2-2.

PRILOG G – Projektiranje čeličnih konstrukcija

11

a) Sudari,

b) Eksplozije,

c) Slijeganje i klizanje terena,

d) Tornado,

e) Potresi,

f) Požar,

g) Ekstremna erozija.

• STALNA DJELOVANJA - GK

• PROMJENJIVA DJELOVANJA - QK

• IZVANREDNA DJELOVANJA - AK

DJELOVANJA NA KONSTRUKCIJE - EUROCODE

12

DJELOVANJEDJELOVANJE REALNOG POREALNOG POŽŽARA ARA –– EUROCODEEUROCODE/ PARAMETARSKE KRIVULJE / PARAMETARSKE KRIVULJE –– TEMPERATURATEMPERATURA--VRIJEME /VRIJEME /

PRORAČUN KONSTRUKCIJE

( ) KG K Q K A K

R

RG Q A⎡ ⎤γ ⋅ + ψ γ ⋅ + γ ⋅ ≤⎣ ⎦ γϕ

Karakteristična vrijednost

stalnog djelovanja


promjenjivog djelovanja


izvanrednog djelovanja

Karakteristična vrijednost otpornosti

Dokaz sigurnosti u području nosivosti:

mehaničko djelovanje

degradacija presjeka

degradacija mehaničkih

karakteristika

13

DJELOVANJE REALNOG PODJELOVANJE REALNOG POŽŽARA ARA –– DEGRADACIJA DEGRADACIJA KONSTRUKCIJE KONSTRUKCIJE OVISNO O KVALITETI MATERIJALAOVISNO O KVALITETI MATERIJALA

0.182

0.436

0.698

0.930

0.275

0.060

0.780

0.470

0.230

0.1100.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Temperatura [°C]

f y, Θ

/ f y,2

0

.

Granica popuštanja - FR30Granica popuštanja - S235

OTPORNOST ČELIČNIH

KONSTRUKCIJA


karakteristika

( )G K Q K A KR

G Q A⎡ ⎤γ ⋅ + ψ γ ⋅ + γ ⋅ ≤⎣ ⎦ γKRϕ

14

DJELOVANJE REALNOG PODJELOVANJE REALNOG POŽŽARA ARA –– DEGRADACIJA DEGRADACIJA KONSTRUKCIJE KONSTRUKCIJE OVISNO O KVALITETI MATERIJALAOVISNO O KVALITETI MATERIJALA

0.100

0.4660.371

0.259

0.170

0.658

0.515

0.746

0.789

0.080

0.900

0.800

0.700

0.0900.130

0.310

0.600

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Temperatura [°C]

E Θ

/ E 20

.

Modul elastičnosti - FR30Modul elastičnosti - S235

OTPORNOST ČELIČNIH

KONSTRUKCIJA


karakteristika

( )G K Q K A KR

G Q A⎡ ⎤γ ⋅ + ψ γ ⋅ + γ ⋅ ≤⎣ ⎦ γKRϕ

15

FORMATI PRORAČUNA KONSTRUKCIJA

Proračunom konstrukcije treba dokazati da ukupna djelovanja na konstrukciju u slučaju požara trebaju biti manja od otpornosti konstrukcije u kritičnim presjecima za vrijeme trajanja požara.

*požara f požarA Rφ≤

gdje je:

*požaraA - opterećenje na konstrukciju uslijed djelovanja požara (udesno djelovanje) koje se

iskazuje uzdužnom silom N*, momentom savijanja M* ili poprečnom silom V*

požarR - nominalna otpornost konstrukcije za vrijeme djelovanja požara

fφ - faktor redukcije naprezanja u konstrukciji u slučaju djelovanja požara

materijala i geometrijskih karakteristika presjeka u slučaju djelovanja požara na konstrukciju. Većina zemalja, uključujući i Europsku uniju, ovu vrijednost uzimaju kao

Faktor fφ u stvari pokriva nepoznanice koje proizlaze iz promjena mehaničkih karakteristika

fφ = 1,0.

16

ODREĐIVANJE POŽARNOG DJELOVANJA

U analizi djelovanja požara ukupna opterećenja se uzimaju manja od onih koja proizlaze iz dostatne otpornosti neke konstrukcije. Zbog toga je u analizi opterećenja potrebno koristiti više različitih kombinacija opterećenja prilikom udesnogdjelovanja požara u vremenu. Tako na primjer, propisi Novog Zelanda daju sljedeće kombinacije opterećenja za skladišta u slučaju požara:

f k kL G 0.6 Q= + ⋅

f k kL G 0.4 Q= + ⋅

gdje je:

Gk – stalno djelovanjeQk – promjenjivo djelovanje

Prva kombinacija se odnosi za skladišta u kojima promjenjivo djelovanje ima dugotrajni učinak na sigurnost konstrukcije, dok u drugoj kombinaciji se uzimaju u obzir ostala promjenjiva djelovanja.

Europska unija (EC) i USA daju malo drukčije vrijednosti koeficijenata, gdje se vidi da su razlike minimalne za požarno opterećenje, tj. mnogo manje nego kod proračuna kada su u pitanju normalne dnevne temperature. Vrijednosti koeficijenata vjerojatnosti istodobnog nastupanja, u udesnoj kombinaciji, više promjenjivih djelovanja za korisna djelovanja u skladištima prikazani su u sljedećoj tablici.

17

kG

kG

k1.2G

kG

Tablica 1. Koeficijenti vjerojatnosti istodobnog nastupanja više promjenjivih djelovanja zakorisna djelovanja u skladištima

kQ0.6 kQ0.4

kQ0.9 kQ0.8

kQ0.5

Ellingwood and Coroits(1991)

USA (ASCE, 1995)

EN 1990: 2002

New Zealend (SNZ, 1992)

Ostala promjenjiva djelovanja

Promjenjivo djelovanje s dugotrajnim učinkom

Stalno djelovanje

kQ0.5

kQ0.5

kQ0.5

Problem izvanredne kombinacije posebno je izražen kod kombinacija djelovanjakada je uključen vjetar, snijeg i potres. Naime, neki propisi ne uzimaju vjetar, snijeg ili potres zajedno sa udesnim djelovanjem požara. Ovakav pristup može biti dobar ako imamo slučaj da je opterećenje snijegom malo i nije učestalo. Za razliku od tih propisa, EUROCODE propisuje dodatne kombinacije djelovanja koje uključuju vjetar i snijeg. Kombinacija za djelovanje požara s aspekta krajnjeg graničnog stanja općenito se može iskazati:

( )k, j d 1,i 2,i k,1 2,i k,ij 1 i>1

G " "P" "G " " ili Q " " Q≥

+ + + ψ ψ + ψ∑ ∑

18

gdje je:

Gk – karakteristična vrijednost stalnog djelovanja,P – djelovanje od prednaprezanja,Gd – proračunska vrijednost stalnog djelovanja,Qk – karakteristična vrijednost promjenjivog djelovanja,ψ – koeficijent koji regulira vjerojatnost istodobnog nastupanja više promjenjivih djelovanja,ψ1,i –za promjenjiva djelovanja s dugotrajnim učinkom na granično stanje,ψ2,i – za kvazistalne vrijednosti promjenjivih djelovanja.

Međutim, s aspekta graničnog stanja uporabljivosti EUROCODE nije predvidio kombinacije s izvanrednim djelovanjem požara. U ovoj regulativi predviđene su 3 moguće kombinacije djelovanja (stalnog i promjenjivog djelovanja) obzirom na vjerojatnost pojave promjenjivog djelovanja: rijetka kombinacija, česta kombinacija i kvazistalnakombinacija. Prema vjerojatnosti pojave udesnog djelovanja moguće je usvojiti kao mjerodavnu kombinaciju za dokaz graničnog stanja uporabljivosti upravo rijetku kombinaciju, a dokaz sigurnosti moguće je provoditi po izrazu:

k, j k,1 0,i k,ij 1 i>1

G " "Q " " Q≥

+ + ψ∑ ∑

gdje se umjesto vodećeg promjenjivog djelovanja Qk,1 uzme djelovanje požara kao udesno djelovanje Gd. Preporučene računske vrijednosti koeficijenta ψ za različite objekte i različita djelovanja prema EUROCODE dane su u tablici 2.

19

Tablica 2. Preporučene računske vrijednosti koeficijenta ψ

00.50.6Djelovanje atmosferskih temperatura

00.20.6Djelovanje vjetra

0.20

0.50.2

0.70.5

Djelovanje snijega- objekti iznad 1000 m NV- objekti do 1000 m NV

0.30.30.60.60.80.60.30

0.50.50.70.70.90.70.50

0.70.70.70.71.00.70.70

Korisno djelovanje- stambeni objekti- poslovni objekti- kongresni objekti- trgovački centri- skladišta- prometne površine za vozila do 30 kN- prometne površine za vozila od 30 kN do 160 kN- Krovovi

ψ2,iψ1,iΨ0,iPromjenjiva djelovanja

Prema preporuci EUROCODE računske vrijednosti koeficijenata ψ potrebno je da u okviru nacionalnih dokumenata svaka država odredi za sebe, tj. usvoji NP (Nacionalni Parametri).

Kod čeličnih konstrukcija djelovanje požara – visoke temperature mogu imati za posljedicu povećanja sile (naprezanja) u konstrukciji zbog spriječenosti deformacija konstrukcije ili zbog degradacije presjeka i smanjenja otpornosti (velike deformacije). Uslijed velikih temperatura slično ponašanje događa se i kod armiranobetonskih konstrukcija, dok kod drvenih konstrukcija povećanje sile nije značajno.

20

OMJER OPTEREĆENJA

Za vrijeme uporabe većina konstrukcija ima vrlo malen stupanj trošnosti (korozija, habanje itd.). Ako dovodimo u vezu odnos opterećenja u slučaju djelovanja požara (Apožara) s opterećenjima koja se javljaju u normalnim okolnostima - atmosferske temperature (Qatmosferska temperatura) možemo sagledati omjer tih opterećenja (ropter) i iskazati ga:

opter požara atmosferska temperaturar A / Q=

Većina zgrada ima tu vrijednost 0.5 ili manje u vijeku trajanja. Omjer opterećenja uzima se mnogo manji za konstrukcije za koje se očekuje da će biti izložene olujama, potresu itd. Vidimo što je manji omjer opterećenja to je veća otpornost prema požaru jer se otkazivanje nosivosti neke konstrukcije može dogoditi i bez pojave požara.Ova konstatacija bitna je za definiranje koncepta sigurnosti za proračun konstrukcija u slučaju djelovanja požara.

21

NUMERIČKI PRIMJER ZAŠTITE OD POŽARA PREMA EUROKODUZa centrično opterećeni stup građevine na skici prema [7], [8] potrebno je provesti dokaz nosivosti stupa ako je sa sve četiri strane izložen požaru. Zaštita je predviđena od gipsanih ploča, a zahtijevano vrijeme otpornosti na požar je R90.

23

6 (EC3)

24

Zaključak:U primjeru je pokazan način na koji se djelovanje požara sukladno europskoj normi tretira kao izvanredno djelovanje (rijetka kombinacija). Ovaj suvremeni pristup u proračunu nosive konstrukcije daje mogućnost da se primjenom odgovarajućih zaštita stupa u slučaju požara može osigurati zahtijevana pouzdanost konstrukcije u vijeku trajanja.

25

MODELIRANJE RAZVOJA REALNOG POŽARA

Crtež 6 RHR krivulje realnog požara u garažama

26

RAČUNALNI MODELI – TEMELJNA PODJELA– Deterministički modeli - korištenje poznatih fizikalno – kemijskih

zakonitosti

– Probabilistički modeli - predviđanje razvoja požara na temelju zakona vjerojatnosti

DETERMINISTIČKI MODELIModeli računalne dinamike fluida – modeli polja

( CFD – Computational Fluid Mechanics )

Modeli zona

* 1- ZONSKI MODEL – jedinstven prostor (mogu se primijeniti za simulaciju potpuno razvijenog požara). Nemaju značajnu praktičnu primjenu.

* 2- ZONSKI MODEL


27

RAČUNALNI MODELI POLJA (CFD)– Predstavljaju najsofisticiranije od svih navedenih modela. Nazivaju se još i

tzv. “modelima polja” (eng. Field models).

– Primjena računalne simulacije u proučavanju fizikalnih procesa vezanih za fluide je poprimila značajne razmjere u posljednjih 10-20 godina → nagli razvoj računalne dinamike fluida – CFD.

– Ovi modeli područje interesa, tzv. domenu dijele na niz sub-volumena, na koje se primjenjuju temeljni zakoni očuvanja:

• zakon očuvanja mase• zakon očuvanja količine gibanja• zakon očuvanja energijei pripadajuće konstitutivne relacije (jednadžba idealnog plina, Fourierov zakon i dr.)


28

– Matematički model se svodi na zatvoreni skup diferencijalnih jednadžbi i konstitutivnih relacija koje uz početne i rubne uvjete opisuju konkretni fizikalni problem.

– Problem se zbog složenosti ne rješava analitički, već samo približno, s nekom od numeričkih metoda.

Crtež 7 Diskretizacija domene podjelom u niz pod-volumena (kontrolnih volumena)


29

– Zbog velike raznolikosti fizikalnih problema koji se rješavaju, CFD modeli teže specijalizaciji, tj. prilagođavaju se specifičnim područjima primjene. Oni koji se bave modeliranjem požara imaju dobro razrađene potprocese specifične za uže područje primjene (modeliranje turbulencije, izgaranja, pirolize, zračenja, razdiobe plamena i dr.).

– Od izuzetne važnosti za primjenu CFD modela je prehodana validacijamodela ispitivanjem u naravi!

– Koristiti komercijalno provjerene CFD modele, npr.FLUENT

PHOENICS

SMARTFIRE

SOFIE

FDS i dr.


30

Crtež 8 Temperature u prostoru garaže – MODEL POLJA proračunat programom CEFICOSS (Computer Engineering of the Fire Science of Composite and Steel Strucures)


31

MODELI ZONA – VELIKI ZATVORENI PROSTORI

Za proračun temperatura u zatvorenoj prostoriji uslijed djelovanja požara polazise od pretpostavke da se zatvoreni prostor može podijeliti u određeni broj zonatako da svaka zona ima približno jednake fizikalne karakteristike (masu, gustoću,temperaturu, tlak i unutarnju energiju) jer je realno simuliranje veoma složenazadaća kod numeričkog modeliranja pa se zato uvode određenapojednostavljenja. Modeliranje požara u zonama je veliki izazov i trenutno se, naovoj razini, provode istraživanja i u poznatim svjetskim institutima od kojih jenajznačajniji NIST – National Institute of Standards and Tehnology. Modeliranjeu zonama polazi od sustava diferencijalnih jednadžbi koje su izvedene koristećizakon održanja mase (jednadžba kontinuiteta), zakon održanja energije (prvizakon termodinamike) i zakon idealnih plinova. Ovi zakoni se postavljaju zasvaku pojedinu zonu.


32

Najčešće se zatvoreni prostor dijeli u dvije zone:Gornja zona - zona vrućih plinova i dimaDonja zona - zona u kojoj se zadržava sobna temperatura i sobni tlak.

yD

r1

r2

r1

r2

Međusobna djelovanja zona posljedica su izmjene mase i energije.U ovakvom modeliranju uvode se još i pojednostavljenja:- specifični toplinski kapaciteti cp i cv uzimaju se konstantni,- hidrostatski uvjeti su zanemareni – zakon idealnih plinova.


strucno usavrsavanje 02-04-2009 peros

Documents