Ocelová konstrukce vně požárního úseku při zkoušce v Mokrsku

• Foto

Teplota prvků, které jsou umístěny v požárním úseku, se běžně stanovuje z teploty plynu při požáru pomocí jednoduché přírůstkové metody. Předpověď teploty prvků vně požárního úseku je v praxi méně obvyklá. U prvků vystavených účinkům lokálního požáru nebo u prvků mimo požární úsek závisí teplota na vzdálenosti posuzovaného prvku od požáru, protože se v těchto případech značná část tepla do konstrukce přenáší sáláním a na teplotu má vliv také tvar průřezu, který může způsobit zastínění některých částí. Nerovnoměrné prohřívání průřezu vede k jeho deformaci, která u tlačených prvků ovlivňuje únosnost ve vzpěrném tlaku.

Pro výzkum požární odolnosti jsou nenahraditelným zdrojem informací zkoušky na skutečných objektech. Nejznámějšími jsou zkoušky v laboratořích v Cardingtonu, které byly realizovány v letech 1998 až 2003. Od té doby bylo provedeno pět dalších požárních zkoušek na celých budovách. Požární zkouška v Mokrsku z 18. září 2008 navázala na předešlé poznatky a zaměřila se na celistvost chování konstrukce.

POŽÁRNÍ ZKOUŠKA
Zkouška se uskutečnila na objektu o rozměrech 12 × 18 m, který představoval část jednoho podlaží administrativní budovy [2]. Stropní konstrukci tvořily ocelové nosníky spřažené s betonovou deskou o celkové tloušťce 120 mm betonovanou do trapézového plechu s výškou vlny 60 mm. Byly použity dva typy stropních nosníků. Na ploše o rozměrech 9 × 12 m byly navrženy nechráněné prolamované nosníky výšky 395 mm o rozpětí 9 m, tyto nosníky byly vyrobeny z IPE 270. Na čtvrtině půdorysu byly použity nechráněné nosníky s vlnitou stojinou tloušťky 2,5 mm a výšky 500 mm. Obvodové nosníky byly chráněné, průřezu IPE 400. Stropní konstrukci zbývající části objektu tvořily dutinové předpjaté stropní panely výšky 320 mm.

Kromě chování tří typů stropní konstrukce byla sledována teplota v chráněných ocelových sloupech v kombinaci s nechráněnými stropními nosníky a ve styčnících se zvýšenou požární odolností. Na obvodových stěnách, které byly tvořeny z kazetových profilů, tepelné izolace a trapézového plechu nebo ze sendvičových panelů byl zkoumán přestup tepla a chování za vysokých teplot. Celý objekt tvořil jeden požární úsek se dvěma otvory o rozměrech 2,54 m a délce 4 m umístěnými v čelní stěně. Požární zatížení bylo tvořeno dřevěnými hranoly průřezu 50 × 50 mm délky 1 m uložené v hranicích. Při zkoušce bylo použito 35,5 kg dřeva na 1 m², což představuje požární zatížení 620 MJ/m².

SLOUP VNĚ POŽÁRNÍHO ÚSEKU
Při zkoušce byla sledována teplota v ocelovém sloupu umístěném 1 m před jedním ze dvou okenních otvorů požárního úseku. Sloup byl umístěn 1 m od okraje okna, tzn. ve čtvrtině jeho šířky, a byl orientován pásnicemi rovnoběžně s čelní stěnou objektu, viz obr. 1. Na sloupu byly rozmístěny termočlánky pro měření teploty obou pásnic a stěny ocelového průřezu a teploty plynů obklopující sloup. Polohu termočlánků ukazuje obr. 2.

Měření potvrdilo předpokládané rozdíly teploty po průřezu sloupu, kdy vzdálenější pásnice a stěna sloupu jsou vlivem stínění vystaveny účinkům sálání v menší míře než pásnice blíž k oknu požárního úseku. Podstatně větší rozdíly teplot lze najít po výšce sloupu. Zatímco spodní část sloupu je obklopena chladným vzduchem, který proudí spodní částí okna do požárního úseku, horní část je obklopena horkými plyny unikajícími oknem a teploty ve sloupu dosahují značných hodnot.

NUMERICKÝ MODEL
Časový průběh teploty sloupu byl vypočten programem Ansys. Pro výpočet byl použit 3D model, sloup byl tvořen prvky Solid70 s 8 styčníky, sálající plocha okna byla modelována rovinnými prvky Shell57, viz obr. 5. Materiál sloupu zahrnoval nelineární závislost měrného tepla a tepelné vodivosti oceli na teplotě podle ČSN EN 1993-1-2 [1].

Při výpočtu byl modelován přestup tepla do sloupu prouděním a sáláním. Pro přestup tepla prouděním byly použity teploty plynů naměřené termočlánky v bezprostředním okolí sloupu, viz obr. 2 a obr. 4. Pro modelování účinků sálání byly plameny požárního úseku nahrazeny plochou okna. Jako teplota sálání byla použita teplota naměřená uvnitř požárního úseku, tato teplota byla stejná po celé sálající ploše.

Výsledky získané numerickým výpočtem jsou na následujících obrázcích. Z obr. 6 a 7 je patrná velmi dobrá shoda mezi teplotami naměřenými při zkoušce a spočtenými teplotami. Průběh teploty po výšce sloupu je na obr. 8.

ZJEDNODUŠENÝ MODEL
Pro předpověď teploty sloupu byl vytvořen program, který výpočet teploty sloupu usnadňuje [5]. Vstupními hodnotami jsou teploty plynů v požárním úseku a v okolí sloupu naměřené při zkoušce. Výpočet je založen na přenosu tepla sáláním podle Stefan-Boltzmannova zákona:

kde  ó = 5,67051∙10–8 Wm^–2K^–4 je Stefan-Boltzmannova konstanta.

Tepelný tok Ø_1,2 mezi dvěma povrchy může být vyjádřen vztahem:

kde T1 a T2 jsou teploty obou povrchů, a_1,2 a a_2,1 jsou polohové součinitele a ae,1 a ae,2 jsou absorbtance obou povrchů. Tepelný tok
může být vyjádřen také pomocí jednoduššího vztahu:

kde  je emisivita zdroje záření. V programu je použit tento vztah.

Výpočet teploty sloupu byl řešen jako dvourozměrný problém. Určení tepelných změn v jednotlivých elementech externího sloupu bylo formulováno rovnicí:

kde T je teplota sloupu, Tf teplota plamene, Tz teplota okolního prostředí, c měrné teplo a q hustota oceli, S průřezová plocha sloupu, a součinitel tepelné vodivosti, e₁ emisivita plamenů, e₂ emisivita okolního prostředí, w šířka vystavená účinkům sálání, q šířka nevystavené části, r šířka vnitřní hranice a q polohový součinitel definovaný jako:

V tomto vztahu je r vzdálenost dvou ploch a Ø₁ a Ø₂ jsou úhly mezi normálami k povrchu a spojnicí bodů na těchto plochách. Numerické řešení nelineární rovnice bylo diskretizováno metodou konečných diferencí. Nelinearita je způsobena čtvrtou mocninou teploty sloupu a nelineární závislostí měrného tepla a tepelné vodivosti oceli na teplotě. Rovnice jsou v každém kroku řešeny Newtonovou metodou. Získané výsledky byly porovnány s teplotami sloupu naměřenými při zkoušce, viz obr. 9. Na obr. 10 jsou porovnány vypočtené a naměřené teplot. Z obrázku je patrná velmi dobrá shoda.

ZÁVĚR
Příspěvek popisuje dva postupy výpočtu teploty sloupu umístěného před oknem požárního úseku, které vykazují dobrou shodu s teplotami změřenými při požární zkoušce v Mokrsku. Modelování MKP umožňuje sledovat změny teploty po výšce sloupu i v jeho průřezu, kdy vlivem stínění může být jedna z pásnic podstatně chladnější. Nevýhodou modelu MKP je obtížné vytváření modelu a dlouhá doba výpočtu. Zjednodušený model popisuje průběh teploty sloupu po jeho délce, nástroj pro výpočet je volně k dispozici na http://mat.fsv.cvut.cz/cideas.

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

LITERATURA:
[1] ČSN EN 1993-1-2, Navrhování ocelových konstrukcí, Část 1.2 Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI Praha, 2006
[2] Kallerová, P., Chlouba, J., Wald, F.: Požární zkouška v Mokrsku, Konstrukce 2009, roč. 8, č. 1, s. 8–13, ISSN 1213-8762
[3] Law M., O‘Brien T.: Fire safety of bare external structural steel, SCI, č. 009, Londýn 1989, ISBN 0-86200-026-2
[4] Pultar, M., Wald, F., Chlouba, J.: Teplota prvků vně požárního úseku, Konstrukce 2008, roč. 7, č. 1, s. 33–34, ISSN 1213-8762
[5] http://mat.fsv.cvut.cz/cideas 

Steel structure outside the fire sector during the testing in Mokrsk Temperature of elements which are located in the fire sector is typically determined from the gas temperature during fire using a simple incremental method. Forecast of the element temperature outside the fire sector is less typical in reality. For elements being exposed to the impacts of local fire or for elements outside the fire sector the temperature depends on the distance of the assessed element from the fire. Due to the fact that in these cases, part of the heat is transferred into the structure by means of radiation, the temperature is also influenced by the shape of the cross section which may cause some parts to be shaded. Uneven diathermy of the cross section may lead to its deformation which has impact on the bearing capacity in buckling what concerns the compression member.

Autoři

• Ing. Sokol Zdeněk
• Prof. Ing. Wald František CSc.
• RNDr. Pultar Milan CSc.