Ověření požární odolnosti žárově zinkovaných prvků zkouškou ve Veselí nad Lužnicí

• Foto

Požární návrhové normy umožňují předpovědět teplotu požárně chráněných i nechráněných ocelových prvků s dobrou přesností. Neuvažuje se ale s pozitivním účinkem povrchové úpravy, která může mít nezanedbatelný vliv na teplotu a tím i na požární odolnost konstrukce. K přestupu tepla do ocelové konstrukce za požáru dochází dvěma způsoby, prouděním a sáláním. Vedení tepla se pro zjednodušený návrh ocelových konstrukcí za požáru zanedbává. Tepelný tok prouděním závisí na velikosti a druhu proudění plynů kolem profilu. Velikost tepelného toku sáláním je přímo úměrná emisivitě, tj. odrazivosti, povrchu, kterou lze ovlivnit povrchovou úpravou. Vzhledem k tomu, že požární ochrana tvoří část nákladů na výstavbu ocelových konstrukcí, lze spojením funkcí povrchové a požární úpravy zvýšit konkurenceschopnost ocelových konstrukcí. Povrchová úprava zinkováním je na ocelový prvek nanášena ponorem do zinkovací lázně za teploty cca 450 °C. Proto lze snížení emisivity povrchu konstrukce uvažovat pouze do této teploty. Po dosažení teploty zinkování dochází k odtékání povrchové úpravy a emisivita povrchu se vrátí zpět na úroveň ocelových prvků bez povrchové úpravy. Díky snížení teploty ocelového prvku v počáteční fázi požáru dojde k posunu teplotní křivky prvku a požadované kritické teploty je dosaženo s časovým odstupem, který umožní požární odolnost ocelové konstrukce s pozinkovaným povrchem až 30 min.

Norma ČSN EN 1993-1-2 viz [1] udává pro výpočet požární odolnosti ocelových konstrukcí všech ocelových prvků konzervativní hodnotu povrchové emisivity ε_m = 0,7. Experimentálně stanovená hodnota emisivity zinkovaného povrchu oceli je platná pouze pro dobu vystavení požáru, kdy je povrch opatřen zinkem, jež byl aplikován za tepoty přibližně 450 °C. Nižší hodnota součinitele emisivity je pro požární odolnost nechráněných ocelových konstrukcí rozhodující právě pro oblast do 400 °C. Nad tuto teplotu je degradace všech stavebních materiálů vlivem teploty rychlá a při 800 °C dosahuje méně než 10 % hodnoty při běžné teplotě.

ZKUŠEBNÍ VZORKY
Pro ověření vlivu povrchové úpravy a emisivity zinkované ocelové konstrukce na teplotu ocelových prvků za reálného požáru byly do požárního úseku umístěny zkušební vzorky, viz obr. 1. Zinkované vzorky byly sledovány při experimentu v prvním podlaží, kdy byla v požárním úseku navržena vyšší a rovnoměrněji rozložená teplota. Požární zkouška ve spodním podlaží objektu se konala 15. září 2011. Byla ověřována emisivita povrchu zinkovaných prvků, která byla vypočtena z výsledků požárního experimentu v horizontální peci z roku 2011, viz [2]. Zinkované vzorky byly zavěšeny na stropní konstrukci do oblasti s předpokládanou nejvyšší teplotou plynu pomocí kulatiny o průměru 10 mm, viz obr. 1 a 2. Uspořádání vzorků v požárním úseku eliminovalo nerovnoměrné rozdělení teplot. Profily byly uspořádány ve dvojicích, vždy zinkované a bez povrchové úpravy. Profily byly na obou koncích izolovány vatou z minerálních vláken tak, aby vzorek simuloval nekonečně dlouhý prvek a k přestupu tepla docházelo pouze jeho vnějším povrchem.

Na vzorky byly využity uzavřené a otevřené průřezy, viz tab. 1, délky 1 m.

Polovina vzorků byla provedena bez úpravy povrchu, vzorky TZ1 – IPE, TZ3 – IPE, TZ6 – TR a polovina byla žárově pozinkována, vzorky TZ2 – IPE, TZ4 – IPE, TZ5 – TR. Technologie žárového zinkování byla pro oba vzorky profilu IPE volena shodná. Teplota zinkování dosáhla 447 °C, průměrná tloušťka povlaku 157,8 μm, max. 171,4 μm, min. 138,4 μm. Byla použita běžná zinkovací lázeň bez přídavných prvků jako Al, Pb, Bi, Sn apod. s chemickým složením předepsaným pro výrobky určené pro trvalý styk s pitnou vodou. Celková doba ponoru byla 260 s, doba stahování 30 s a doba vytahování 20 s. Běžná lázeň byla použita i pro zinkování kruhového uzavřeného profilu TR 114,3 × 4, teplota zinkování 458 °C, průměrná tloušťka povlaku 110 μm.

PRŮBĚH ZKOUŠKY
Zinkované a nezinkované vzorky byly umístěny ve zkušebním objektu během zkoušky ve spodním podlaží experimentálního objektu. Teplota každého vzorku byla měřena jedním plášťovým termočlánkem o průměru 2 mm, který byl umístěn v polovině výšky prvku, v otvoru o průměru termočlánku, hloubce poloviny tloušťky stěny. Teplota plynu v požárním úseku byla měřena dvaceti plášťovými termočlánky o průměru 3 mm a sedmi deskovými termočlánky. Celkem bylo pro měření teploty konstrukce a plynu využito 127 termočlánků.

V prostoru požárního úseku bylo rozmístěno 28 hranic dřeva, každá s jedenácti vrstvami po 10 latích. Celkový objem dřevní hmoty činil 7,65 m³, tj. 30,1 kg/m², což odpovídá hodnotě výhřevnosti 525 MJ/m². Při návrhu administrativní budovy se uvažuje pro 80% kvantil Gumbelova rozdělení s hodnotou 511 MJ/m², viz [3], Hranice byly zapáleny současně pomocí kanálků naplněných minerální vatou napuštěnou petrolejem. Větrání požárního úseku zajišťoval okenní otvor shodný s otvorem v horním podlaží, viz obr. 3. Průběh požáru odpovídal předpokladům numerické a analytické simulace, viz [4]. Průběh teploty v požárním úseku v místě vložených vzorků i na vzorcích samotných s evidentním vlivem pozinkování na snížení teploty prvku je uveden na obr. 5. Nejvyšší teplota plynů 1 002 °C byla změřena v zadní části požárního úseku ve 46. min požáru. Teplota ocelového prvku opatřeného zinkovaným povrchem kopíruje teplotu plynu se zpožděním, které je způsobeno tepelnou kapacitou oceli, druhem proudění kolem konstrukce a emisivitou povrchu.

VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU 
Pro vyhodnocení experimentu byla upravena přírůstková metoda, viz [2]. Hodnoty emisivity povrchu zinkovaného prvku odpovídají výstupům, které byly získány z předchozích experimentů. Výsledky jsou shrnuty v tab. 2. Pro výslednou emisivitu prvku při požáru je nezbytné zahrnout do výpočtu propustnost záření plynu, která je snížena z důvodu zplodin vznikajících při hoření dřevní hmoty. Tato byla uvažována hodnotou nižší než 1,0.

Pro pozinkované prvky byl ze známé teploty plynů a změřeného přírůstku teploty vzorku vypočten tepelný tok a z něj odečtením části tepelného toku prouděním, uvažováno s hodnotou součinitele α_c = 4 W/m²K, dopočten přenos tepla sáláním. Poté bylo možné určit emisivitu povrchu pro každý přírůstek přímo. Průměrem pak byla stanovena emisivita povrchu během prvních 30 min požáru následujícím vztahem: 

h_net.r = h_net - h_net.c,

kde h_net,r je tepelný tok sáláním, h_net,c tepelný tok prouděním a h_net čistý tepelný tok. Vypočtené hodnoty emisivity pro jednotlivé prvky jsou uvedeny v tab. 2. Výsledná emisivita vzorků byla stanovena jako průměr hodnot. Nejistota výsledku je do výpočtu zahrnuta při stanovení hodnoty ac pro hodnotu emisivity bez povrchové úpravy, tj. ε_m = 0,7. Výsledná hodnota emisivity povrchu byla stanovena průměrem jako hodnota ε_m = 0,32. Na obr. 6, 7 a 8 jsou porovnány vypočtené teploty s teplotami změřenými při uvažování jednotné hodnoty emisivity povrchu pro všechny prvky.

ZÁVĚREM
Experiment na skutečném objektu potvrdil snížení emisivity povrchu ocelového prvku se zinkovou úpravou za požáru na méně než polovinu hodnoty emisivity pro ocelové prvky bez povrchové úpravy. V současnosti se připravují další sady vzorků pro experiment, který zmapuje vliv stárnutí zinkového povrchu povětrnostními podmínkami na emisivitu povrchu a tím na jeho odolnost v případě vystavení požáru.

Příspěvek byl vypracován za podpory grantu SGS12/122/OHK1/2T/11, Modelování částečně chráněných konstrukcí za požáru.

LITERATURA: 
[1] ČSN EN1993-1-2, Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006, 77 s.
[2] Jirků J., Wald F., Jandera M.: Increase of the fire resistance by galvanizing, In: Proceedings: 17th Hot Dip Galvanizing Conference, Ostrava, 2011, s. 99–107, ISBN 978-80-254-9364-9
[3] ČSN EN1991-1-2, Zatížení konstrukcí, Obecná zatížení, Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru, ČNI, Praha, 2004, 54 s.
[4] Jána T., Jirků J., Wald F.: Požární zkoušky na dvoupodlažní experimentální budově, Konstrukce, 10/6, 2011, s. 57–59, ISSN 1213-8762

Verification of Fire-Resistance of Galvanized Elements by a Test in Veselí nad Lužnicí
The fifth article about fire tests on two floor building performed on September 6, 2011 and September 15, 2011 in fire test facility PAVUS, a.s. in Veselí nad Lužnicí, describes the verification of emissivity of surface of galvanized elements on fire. The results of experiment are compared with the results of tests in horizontal furnace.

Autoři

• Ing. Jirků Jiří
• Ing. Jána Tomáš
• Prof. Ing. Wald František CSc.