KONSTRUKCE Media, s. r. o.Com4In Group
ISSN 1803-8433
English - Google Translate Česky - Překladač Google French - Google Translate Italian - Google Translate German - Google Translate Polish - Google Translate Spanish - Google Translate Swedish - Google Translate   |   Přihlásit se   
Nacházíte se:  Úvod    Povrchová ochrana    K požární odolnosti žárově zinkovaných prvků

K požární odolnosti žárově zinkovaných prvků

Publikováno: 15.8.2011
Rubrika: Povrchová ochrana

Zvýšená odrazivost žárově zinkovaného povrchu se uplatní jen pro dobu, než prvek dosáhne teplotu tání zinku, která je pro čistý materiál 419,53 °C. Požární odolnost nechráněných ocelových prvků je rozhodující právě pro oblast do 400 °C. Nad tuto teplotu je degradace všech stavebních materiálů vlivem teploty rychlá a při 800 °C dosahuje již méně než 10 % hodnot za běžné teploty. Norma ČSN EN 1993-1-2:2006 pro navrhování ocelových konstrukcí na účinky požáru doporučuje hodnotu emisivity povrchu pro ocelové prvky εm = 0,7. Pro prvky z nerezové oceli s odrazivým povrchem byla na základě experimentálního výzkumu stanovena hodnota součinitele εm = 0,4, viz čl. 2.1.3 normy ČSN EN 1993-1-2:2006. Obdobně se pro hliníkové konstrukce v dokumentu ČSN EN 1999-1-2:2008 uvádí hodnota εm = 0,3. Pro žárově zinkované povrchy nejsou normové podklady o emisivitě povrchu k dispozici.

EXPERIMENTY
K pilotnímu ověření vlivu odrazivosti zinkovaného povrchu při požáru byl s podporou Asociace českých a slovenských zinkoven, která dodala vzorky a jejich technický popis, připraven 20. října 2010 experiment ve vodorovné peci ve zkušebně PAVUS a. s. ve Veselí nad Lužnicí. Zkoušelo se celkem osm vzorků, viz tabulka 1, o dvou odlišných průřezech, které reprezentovaly dvě – z hlediska přestupu tepla – výrazné skupiny průřezů, uzavřené a otevřené. Délka prvků byla 1 m. Jako otevřený průřez byl zvolen IPE 200 a jako uzavřený TR114,3 ×
4 mm, viz obr. 1 a 2.

Byly vytvořeny skupiny se dvěma vzorky bez úpravy povrchu, vzorky IPE 1, IPE 2, TR 5, TR 6, a žárově zinkované, vzorky IPE 3, IPE 4, TR 7, TR 8, viz tab. 1. Pro oba vzorky IPE 3, IPE 4 byla volena shodná technologie žárového zinkování. Teplota zinkování byla 457 °C. Dosáhlo se průměrné tloušťky povlaku z 16 měření pro každý vzorek 119 μm, max. 142,8 μm, min 95,9 μm. Zinkovalo se v běžné zinkovací lázni bez přídavných prvků, jako Al, Pb, Bi, Sn apod., s chemickým složením předepsaným pro výrobky určené pro trvalý styk s pitnou vodou. Stejná lázeň byla použita i pro kruhové uzavřené profily TR 7, teplota zinkování 460 °C. Vzorek TR 8 byl máčen v lázni s přídavkem hliníku pro zajištění vyššího lesku, při teplotě 456 °C. Všechny povrchy byly kovově lesklé, typické pro žárové zinkování neuklidněné či hliníkem uklidněné oceli.

V peci byly vzorky umístěny po dvojicích, černý a zinkovaný, mezi hořáky, aby se eliminovalo nerovnoměrné rozdělení teplot v peci, viz obr. 3. Profily byly uspořádány zrcadlově k podélné ose pece a jejich poloha v jednotlivých dvojicích byla vystřídána. Dvourozměrný přestupu tepla do profilů byl zajištěn obalením paty žáruvzdornou vatou z hlinitokřemičitých vláken a zakrytím vrcholu deskou z minerální vlny a plynového silikátu.

Teplota vzorků byla měřena plášťovými termočlánky, které byly na každém vzorku umístěny v polovině výšky prvku v otvoru o velikosti termočlánku a hloubce poloviny tloušťky stěny. Termočlánky byly orientovány do středu pece. Teplota plynu v peci byla měřena šesti plášťovými termočlánky o průměru 3 mm, které byly v polovině výšky pece u vyšetřovaných profilů. Při zkoušce, která byla zaměřena na chování ocelobetonového stropu z drátkobetonu, nebylo použito měření teploty plynu, které využívají Evropské zkušební normy.

Tabulka 1 – Vzorky pro požární zkoušku
Vzorek Průřez Povrchová úprava
IPE 1 IPE 200 Bez
IPE 2 IPE 200 Bez
IPE 3 IPE 200 Zn
IPE 4 IPE 200 Zn
IPE 5 TR 114,3 X 4 Bez
IPE 6 TR 114,3 X 4 Bez
IPE 7 TR 114,3 X 4 Zn
IPE 8 TR 114,3 X 4 Zn-Al

Teplota v peci byla zvyšována podle nominální normové teplotní křivky podle normy ČSN EN 1363-1 Zkoušení požární odolnosti. Průběh teploty v peci v místě vzorků a na vzorcích je uveden na obr. 3 pro vzorky z otevřených profilů IPE a na obr. 4 pro vzorky z kruhových uzavřených profilů.

ANALYTICKÝ MODEL
Výpočet přestupu tepla do konstrukce se obecně řeší integrací diferenciální rovnice vedení tepla. Pro výpočet s dvourozměrným vedením tepla, zde pro nekonečný prvek, lze výpočet zjednodušit a změnu teploty uvažovat po přírůstcích v časovém intervalu Δt. Tepelná pohltivost prvku se skládá ze dvou složek z proudění v okolí prvku a ze sálání, při kterém je v tomto případě přestup tepla přímo úměrný emisivitě povrchu. Na plochách vystavených účinkům požáru lze čistý tepelný tok hnet pro přestup tepla stanovit, viz (Barthelemy, 1976) jako

hnet = hnet.c + hnet.r       (1)

kde hnet.c je složka přestup tepla prouděním a hnet.r sáláním.

Přestup tepla prouděním je významný při šíření plamene a při transportu kouře a horkých plynů. Čistý tepelný tok prouděním hnet,c lze vyjádřit jednoduchým vztahem, který je pro dané podmínky přímo úměrný rozdílu teplot obou materiálů

hnet.c = αc ΔT        (2)

kde ΔT je teplotní rozdíl, v případě požáru mezi teplotou plynů a povrchovou teplotou prvku [K] a αc je součinitel přestupu tepla [W/m2K]. Součinitel přestupu tepla αc závisí hlavně na způsobu proudění, fyzikálních vlastnostech plynů, geometrii tělesa a tloušťce mezní vrstvy. Hodnoty součinitele αc pro různé případy jsou popsány v literatuře orientované na sdílení tepla, např. (Ghojel, 1998) a (Barthelemy, 1976). Na odvrácené straně prvků se čistý tepelný tok hnet stanoví podle ČSN EN 1991-1-2:2005 pomocí vztahu pro součinitel přestupu tepla
prouděním αc = 9 W/m2K. Předpokládá, že hodnota zahrnuje i účinky přestupu tepla sáláním.

Pro požáry popisované nominálními teplotními křivkami lze použít pro povrchy vystavené plamenům hodnotu 25 W/m2K, při použití parametrické teplotní křivky hodnotu 35 W/m2K. Ghojel, 1998, uvádí výstižnější model, ve kterém hodnota αc závisí na dosažené teplotě požáru. Uvažuje jej hodnotou od 0 W/m2K pro začátek požáru až 50 W/m2K pro teploty, kdy se teplota plynů vyrovná teplotě materiálu. Mezilehlé hodnoty se doporučuje lineárně interpolovat. Model nevedl pro žárově pozinkované povrchy k významnému zpřesnění a dále je využito řešení podle vztahu (2).

Sáláním se při požáru obvykle přenáší do konstrukcí hlavní část energie z plamenů na povrchu paliva, z horkého kouře na prvky konstrukce a z hořících objektů na sousední objekty. Čistý tepelný tok sáláním hnet.r mezi emitujícím povrchem požáru a přijímajícím povrchem konstrukčních prvků se stanoví ze vztahu:

hnet.r = Φ εm εf σ (Tr4 - Tm4)       (3)

kde εm je emisivita povrchu prvku, která se pro uhlíkovou ocel uvažuje εm = 0,7; εf emisivita požáru, která se obecně uvažuje εf = 1,0; v Stefan-Boltzmannova konstanta σ = 5,67·10–8 W/m2K4; Φ polohový faktor; Tr účinná teplota sálání prostředí požáru [K]; Tm povrchová teplota prvku [K]. Polohový faktor lze v tomto případě uvažovat přibližně Φ = 1,0. Přesnější hodnoty pro různé situace spolu s emisivitami pro různé materiály jsou uvedeny literatuře, viz např. (Wald, 2005), nebo lze jejich hodnotu stanovit empiricky nebo měřením radiometrem. Pro modely přestupu tepla se předpokládá, že spaliny vzniklé hořením jsou dokonale prostupné sálání a tepelný tok proudí přímo mezi požárem a ocelovou konstrukcí. Ve skutečnosti plyny pohlcují a emitují tepelnou energii, protože mají vlastní emisivitu εg a pohltivost αg. Ghojel, 1998, vztah pro přestup tepla sáláním vlivem plynné směsi vyprodukované požárem zpřesnil, viz (Beneš, 2007). Zatímco emisivita εg závisí na teplotě a tlaku plynů, pohltivost αg závisí jak na teplotě plynů, tak na teplotě prvků. Tento postup není zatím v normách a výpočtech využíván a používá se zjednodušení, viz (3).

Teplota ocelového prvku se pro dvourozměrný přestup tepla do prvku stanovuje z předpokladu zákonu zachování energie, kdy teplo, potřebné k ohřátí ocelového prvku během krátkého časového okamžiku musí být rovno teplu přijatému z požáru. Po úpravě lze počítat přírůstek teploty pro krátký časový okamžik



kde ksh součinitel zastínění, Am/V průřezový součinitel [m–1], ca měrné teplo oceli [J/kg K], ρa hustota oceli [kg/m3], hnet,d čistý tepelný tok [W/m2] a Δt časový přírůstek [s].

EMISIVITA ŽÁROVĚ ZINKOVANÉHO POVRCHU
Pro profily bez povrchové úpravy, u kterých je konzervativní hodnota emisivity povrchu stanovena normou ČSN EN 1993-1-2:2005 jako εm = 0,7; byla regresní analýzou při výpočtu přestupu tepla do konstrukce přírůstkovou metodou stanovena numericky náhradní hodnota αc. Pro prvních 30 min. experimentu vyšla průměrná hodnota součinitele αc = 4 W/m2K, která byla využita pro vyhodnocení žárově zinkovaných vzorků. Vyšetřovalo se do doby, kdy dochází u sledovaných profilů s danými součiniteli průřezu k vyrovnání teploty vzorku a plynu. Pro zinkované prvky byl ze známé teploty plynů a změřeného přírůstku teploty vzorku vypočten tepelný tok a z něho odečtením části tepelného toku prouděním, který byl stanoven pro nezinkované vzorky jako αc = 4 W/m2K vyhodnocen přestup tepla sáláním, vztah (5). Ze vztahu lze určit emisivitu povrchu pro každý přírůstek přímo. Váženým průměrem pak byla stanovena emisivita povrchu během prvních 30 min. zkoušky

hnet.r = hnet - hnet.c      (5)

Vypočtené hodnoty emisivity jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2 – Emisivita povrchu stanovená ze zkoušek
Vzorek Povrchová úprava Emisivita povrchu
IPE 3 Zn 0,318
IPE 4 Zn 0,234
TR 7 Zn 0,444
TR 8 Zn-Al 0,293

Výsledná emisivita vzorků byla stanovena jako průměr všech hodnot. Nejistota výsledku je zahrnuta do stanovení hodnoty αc pro hodnotu emisivity bez povrchové úpravy, tj. εm = 0,7. Z porovnání žárově pozinkovaných trubek je pochopitelně lesklejší zinkování s příměsí hliníku lepší. Průměrná hodnota emisivity povrchu žárově zinkovaných prvků byla stanovena na εm = 0,322. Přesnost výpočtu je ovlivněna velmi omezeným počtem vzorků.

SHRNUTÍ
Při vyhodnocení pilotního projektu byla hodnota emisivity povrhu žárově zinkovaných prvků stanovena jako εm,ZN = 0,32, což je výrazně nižší než emisivita oceli bez povrchové úpravy, εm = 0,7.

Na obr. 6 a 7 jsou porovnány vypočtené teploty s teplotami změřenými při zkouškách IPE3 a TR7 pro stanovenou průměrnou hodnotou emisivity povrchu. Předpověď dobře popisuje teploty změřené na vzorcích při zkoušce. Předběžné zkoušky bude pro potřeby využití v praxi třeba ověřit zkouškou s dalšími součiniteli průřezu při normovém měření teploty plynu v peci. V přípravě dat bude třeba ověřit stárnutí povrchů, které se může projevit tmavnutím povrchu. Táním vrstvy zinku při zvýšené teplotě se povrch čistí a vrací se jeho reflexní charakter.

Význam emisivity lze ukázat např. na jednoduchém požárním návrhu nosníku v projektu AccessSteel, viz www.access-steel.com, kde je stanovena požární odolnost nosníku na rozpětí 7,4. Nosník je při běžné teplotě zatížen rovnoměrným zatížením s charakteristickou hodnotou 14,6 kMm–1 a návrhovou hodnotou 20,93 kMm–1. Působící ohybový moment za běžné teploty MEd = 143,3 kNm je menší než momentová únosnost průřezu IPE 300, Mif,Rd,d = 147,7 kNm. Průřez je za běžné i zvýšené teploty 1. třídy.

Pro redukční součinitel zatížení ηfi = 0,582 je působící ohybový moment při požáru Mif,Rd = ηf MEd = 83,3 kNm. Stupeň využití při požáru při pokojové teplotě je μ0 = Mif,Ed/Mif,Rd,d = 0,563. Tomu odpovídá kritická teplota 565,2 °C. Při zatížení nosníku nominální normovou teplotní křivkou bude v 15. min teplota nosníku s emisivitou povrchu εm = 0,7, tj. bez povrchové úpravy zinkováním, θa = 618 °C. Prvek na požární odolnost R15 nevyhoví a v řešeném příkladu AcessSteel je navržena jeho požární ochrana. Pro žárově zinkovaný prvek s emisivitou povrchu εm = 0,32 bude teplota v 15. min požáru θa,ZN = 500 °C a prvek na požární odolnost R15 vyhoví.

Tento výsledek byl připraven za finančního přispění MŠMT, projekt 1M0579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS.

ZDROJE INFORMACÍ:

  • (Barthelemy, 1976) Barthelemy, B.: Heating calculation of structural steel members. J. Struct. Div., ASCE, vol. 102, no. 8, 1976, s. 1549–1558.
  • (Beneš, 2007) Beneš, M.: Komponenta deska v ohybu a šrouby v tahu za požární situace, Doktorská disertační práce, ČVUT v Praze, 2007, 124 s.
  • (ČSN EN 1991-1-2, 2004) ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru, ČNI, Praha, 2004, 54 s.
  • (ČSN EN 1993-1-2, 2006) ČSN EN 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006, 77 s.
  • (Ghojel, 1998) Ghojel, J. I.: A New Approach to Modeling Heat Transfer in Compartment Fires. Fire Safety Journal, vol. 31, 1998, s. 227–237
  • (Wald a kol, 2005) Wald, F. a kol: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, Vydavatelství ČVUT, Praha, 2005, 336 s.

To the Fire Resistance of Hot Dip Galvanized Components
This contribution describes the effect of surface finish of steel structure by hot-dip galvanizing on heat transfer into the structure. Temperature of the component significantly affects the fire resistance. Advantages of hot-dip galvanizing for anti-corrosion protection are explored and used. Application of the positive effect of surface finish on fire resistance, which is shown at the end of the work, is expected.

Bookmark
Ohodnoďte článek:

Fotogalerie
Obr. 1 – Zkušební vzorky z otevřeného průřezu TR 114,3 × 4 mmObr. 2 – Zkušební vzorky z uzavřeného průřezu IPE 200Obr. 3 – Pohled do pece při zkoušceObr. 4 – Teplota plynu v peci a vzorků z otevřených průřezu IPEObr. 5 – Teplota plynu v peci a vzorků z uzavřených průřezu TR 114,3 × 4 mmObr. 6 – Porovnání teploty při výpočtu s experimentem pro vzorek IPEObr. 7 – Porovnání teploty při výpočtu s experimentem pro vzorek TR 7

NEJčtenější souvisejicí články (v posledních 30-ti dnech)

Požární odolnost ocelových konstrukcíPožární odolnost ocelových konstrukcí (136x)
Ocel je moderní stavební materiál, který má široké možnosti uplatnění ve všech typech staveb. Z hlediska požární odolnos...
Některé aspekty prvopočátků požárních uzávěrů otvorů po zavedení ČSN řady 73 08…Některé aspekty prvopočátků požárních uzávěrů otvorů po zavedení ČSN řady 73 08… (102x)
V nedávné minulosti jsme byli svědky ojedinělé akce České obchodní inspekce, která byla prezentována odborné i laické ve...
Ochranná maskovací páska do žárového zinkuOchranná maskovací páska do žárového zinku (97x)
Na základě poptávky našich zákazníků na maskování částí ocelových konstrukcí před žárovým pozinkováním jsme se začali za...

NEJlépe hodnocené související články

Studium příčin ztmavnutí povlaku žárového zinku v oblasti svarového spojeStudium příčin ztmavnutí povlaku žárového zinku v oblasti svarového spoje (5 b.)
Objednatele žárového pozinkování mnohdy znepokojuje různorodý vzhled povlaku. U zakázek provedených z rozmanitého materi...
Pohľad a očakávania investora na žiarovo pozinkované ťažké oceľové konštrukcie v energetikePohľad a očakávania investora na žiarovo pozinkované ťažké oceľové konštrukcie v energetike (5 b.)
K tomuto článku bola zvolená téma osvetľujúca skúsenosti a prax investorov z radov energetiky, využívajúcich služieb sie...
Korozní napadení korozivzdorných ocelí v důsledku svařovaníKorozní napadení korozivzdorných ocelí v důsledku svařovaní (5 b.)
Korozivzdorné oceli patří mezi konstrukční materiály s vysokou korozní odolností v závislosti na způsobu jejich legování...

NEJdiskutovanější související články

Ochranná maskovací páska do žárového zinkuOchranná maskovací páska do žárového zinku (3x)
Na základě poptávky našich zákazníků na maskování částí ocelových konstrukcí před žárovým pozinkováním jsme se začali za...
Povrchová úprava při výstavbě a rekonstrukcích fotbalových stadionů v JARPovrchová úprava při výstavbě a rekonstrukcích fotbalových stadionů v JAR (2x)
Přelom června a července letošního roku bude ve znamení Mistrovství světa ve fotbale 2010. Tuto sportovní událost poprvé...
Pasivní protipožární ochrana (1x)
Ocel je nehořlavý anorganický materiál používaný pro své fyzikální a mechanické vlastnosti ve stavebnictví a v dalších o...

Server Vodohospodářské stavby

Rekonstrukce Vodního díla Nechranice

Rekonstrukce Vodního díla Nechranice