Teplota plynu při požáru patrové budovy

PŘIROZENÝ POŽÁR
Cílem požární zkoušky bylo podrobnější poznání chování styčníků konstrukce a ocelobetonové desky než u předešlých šesti experimentů [1], [2]. Při její přípravě se uvažovalo s více scénáři. Bylo možné optimalizovat mechanické zatížení, požární zatížení a ventilaci. Mechanické zatížení pytli s pískem o váze 1.100 kg bylo voleno co nejvyšší a představovalo stálé zatížení 3,65 kN/m² a nahodilé zatížení 3,50 kN/m², viz [3]. Požární zatížení 40 kg/m² bylo vybráno jako typické pro administrativní moderní budovu. Výpočty i předcházející zkoušky v Cardingtonu (č. 4 a 5) prokázaly, že zvyšování požárního zatížení nevede nutně k nárůstu teploty v požárním úseku. Případné prostorové vzplanutí zrychlí výdej energie i teplotu v požárním úseku, ale sníží teploty v konstrukci. Okno bylo s ohledem na vyšetřování styčníků původně navrženo o výšce 1,7 m. Bohatá ventilace úseku by umožnila dosažení vysoké teploty v krátkém čase. Předpokládalo se, že při tomto scénáři budou přípoje nosníků vystaveny největší změně vnitřních sil a budou dobře viditelné video- a termokamerami. Z více variant byl po zvážení cílů experimentu zvolen okenní otvor o výšce 1,27 m a šířce 8,7 m, který zvyšoval možnost místního kolapsu ocelobetonové desky. Navržený přívod vzduchu umožnil rychlý nárůst teploty v požárním úseku, dosažení vysokých hodnot teplot i dostatečné prohřátí ocelobetonové desky. Během rozvinutého požáru (obr. 1) šlehaly plameny z požárního úseku pouze 3 m. Mezního stavu celistvosti ocelobetonové desky bylo dosaženo až v 54. minutě experimentu (na počátku chladnutí plynů) rozevřením trhliny u sloupu E2. Po požáru zbylo v požárním úseku na zemi malé množství popela (obr. 2). Stěny ze tří vrstev sádrokartonových desek zachovaly celistvost. Na záběru je vidět veliký průhyb stropu požárního úseku. Největší dosažený průhyb, který byl v desce, nebyl zaznamenán průhyboměrem. Měřící zařízení umožňovalo odečítat průhyboměry pouze do 1.000 mm. Ze záběrů videokamery, umístěné na pátém podlaží, a termokamery z konstrukce objektu hangáru se potvrdilo, že největší průhyb ocelobetonové desky přesáhl 1,2 m. Po požáru byla naměřena zbytková deformace stropu 925 mm.

Obr. 1 – Pohled na požární úsek ve 39. minutě plně rozvinutého požáru

Obr. 2a – Požární úsek po požáru

Obr. 2b – Zbytková deformace ocelobetonové desky 925 mm

Termočlánky snímaly teplotu v požárním úseku 300 mm pod stropem. Jejich rozmístění je zobrazeno na obr. 3. Obr. 4 popisuje rozvoj teploty v čase. Nejvyšší teplota – 1.107,8 °C – byla naměřena na termočlánku G525 2.250 mm od sloupu D2 v 54. minutě požáru. Na teplotní křivce je možné rozlišit tři fáze. Prudký nárůst teploty v požárním úseku trval asi do 24. minuty požáru. V této části byl požár řízen odhoříváním paliva. Ve druhé části, za vysokých teplot, byl od 24. minuty požár řízen ventilací. Od 55. minuty plyny v požárním úseku chladly přibližně lineárně, ve 130. minutě požáru poklesla teplota pod 200 °C. Izotermy na obr. 5a ukazují, že při nárůstu teplot se nejvyšší teploty koncentrovaly ve středu požárního úseku, s rozdílem teplot 102 °C v 15. minutě požáru. Nejvyšší teploty byly naměřeny vzadu v požárním úseku (obr. 5b), kdy byl ve 45. minutě požáru v přední části úseku rozdíl teplot 194 °C. Při chladnutí se rozdíly teplot zmenšovaly, např. v 95. minutě požáru dosahovaly 105 °C.

Obr. 3 – Měření teploty plynu v požárním úseku

Obr. 4 – Rozložení teplot plynu v požárním úseku v čase a předpověď parametrickou a nominální teplotní křivkou

PŘEDPOVĚĎ TEPLOTY PLYNŮ
Předpovědět teplotu plynů v požárním úseku lze parametrickými teplotními křivkami a dynamickou analýzou plynů s využitím MKP. Nominální teplotní křivky, viz [4], popisují smluvní nárůst teploty pro požární zkoušky. Používají se jako nejjednodušší teplotní křivky. Skutečnou teplotu v požárním úseku nepopisují. Parametrické teplotní křivky jsou založeny na pracích Kawagoeho, publikovaných v roce 1958 [5], který popsal závislost teploty v požárním úseku na čase pomocí rovnováhy tepla výrazem:

q_C = q_L + q_W + q_R + q_B (1)

kde q_C je vývoj tepla při hoření, q_L ztráta tepla radiací otvory, q_W ztráta tepla ohraničujícími konstrukcemi, q_R ztráta tepla radiací ohraničujícími konstrukcemi a q_B teplo, akumulované v plynu v požárním úseku.
Předpokládá se, že palivo plně vyhoří uvnitř požárního úseku, teplota plynů bude rovnoměrná, přestup tepla ohraničujícími konstrukcemi je rovnoměrný v čase i prostoru a konstantní. Jednotlivé členy ve vztahu (1) jsou popsány analytickými výrazy, které byly řadou autorů zpřesňovány. Pettersson [6] zpřesnil závislost podle výsledků řady vlastních experimentů a matematicky upravil pro praktické použití. Navržené řešení vyžaduje numerickou integraci, při ručním výpočtu v praxi se odečítá z grafů. V české praxi se parametrické předpovědi využívá v předběžné normě ČSN 73 0804 (Požární bezpečnost staveb, Výrobní objekty, ČSNI Praha, poslední verze je z roku 2002) od roku 1986, viz [7]. Evropský model je pro českou technickou veřejnost k dispozici v předběžném textu evropské normy [4], publikovaném v roce 1993. Současná verze normy z roku 2004, ČSN EN 1991-1-2, příloha A [4], je založena na posledních experimentech a zohledňuje hořlavost současných materiálů. Zde uvedené teplotní křivky lze využít pro požární úseky do podlahové plochy 500 m², bez otvorů ve střeše a s maximální výškou požárního úseku 4 m.

Celý a nezkrácený článek včetně všech grafů, vzorců a výčtu použité literatury si můžete přečíst v dubnovém čísle 2/2005.

Autoři

• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Tichá Alena