Virtuální pec pro zkoušení požární odolnosti konstrukcí

Požární odolnost stavebních konstrukcí je základem požární bezpečnosti staveb. Stanovuje se požárními zkouškami prvků ve vodorovných a svislých pecích, kde jsou tyto prvky vystaveny prudkému nárůstu teploty zahříváním plynovými hořáky. Pec je ohřátá tak, aby teplota plynu odpovídala normové teplotní křivce. Pokud nejsou stanovená kritéria dosažena před koncem zkušebního času, sestava projde zkouškou a je hodnocena.

Standardní zkouška požární odolnosti je náročná na čas, který musí být vynaložen na přípravu, montáž, samotné provedení a následnou analýzu výsledků zkoušky. Kromě času zkoušky vyžadují také určité úsilí, aby bylo dosaženo kvalitních výsledků. Náklady spojené s financováním těchto zkoušek mohou být proto značné. V případě archaických konstrukčních sestav již nemusí být materiály pro případné zkoušky k dispozici. Kvůli těmto nevýhodám vznikla myšlenka virtuální pece pro zkoušení požární odolnosti konstrukcí. Virtuální pec je založena na sdružení dvou metod – analýzy dynamiky plynů (Computational Fluid Dynamics, CFD) a metody konečných prvků (MKP). Tento článek je zaměřen na analýzu dynamiky plynů v peci pomocí výpočetního softwaru Fire Dynamics Simulator (FDS).

ZKOUŠKY POŽÁRNÍ ODOLNOSTI

Vodorovná pec

Pro numerický model byla zvolena vodorovná pec požární laboratoře PAVUS a.s. půdorysných rozměrů 3,0 × 4,0 m a výšky 2,2 m. Skutečná pec je ohřívána 8 hořáky na zemní plyn umístěnými po dvou stranách pece. V podlaze pece se nachází otvor o velikosti 500 × 800 mm, který slouží k odvodu horkých plynů ven z pece. K otvoru je připojeno potrubí s frekvenčním ventilátorem na jeho konci. Výkon ventilátoru je automaticky řízen podle tlaku uvnitř pece.

Schématický půdorys a řez pecí jsou uvedeny na obr. 1a a 1b. V peci jsou umístěna čidla pro snímání vnitřního tlaku a teploty. Snímač tlaku slouží k regulaci přetlaku uvnitř pece. Teplota je kontrolována pomocí 14 deskových snímačů teploty, které jsou umístěny ve výšce 100 mm pod stropem. Deskové snímače teploty automaticky spolupracují s plynovými hořáky a regulují teplotu uvnitř pece podle předepsané křivky. Stěny pece jsou vyrobeny z bloků a rohoží z žáruvzdorných keramických vláken. Celková tloušťka stěny je 230 mm. Podlaha je tvořena šamotovými cihlami o tloušťce 256 mm. Strop pece může být uzavřen betonovými panely nebo ocelovou svařovanou konstrukcí.

Normové požadavky

Pro standardní požární zkoušky je důležité splnit požadavky normy ČSN EN 1363‑1: 2013 [1], která definuje podmínky zkoušek požární odolnosti. Ve skutečné peci stejně jako v modelu musí být dosaženo dvou podmínek:

1. Průměrná teplota v peci je sledována a řízena podle normové teplotní křivky. Křivka je popsána vztahem:

T = 345 log₁₀ (8t + 1) + 20 (1),

kde T je průměrná teplota v °C a t je čas v min.

Podle normy ČSN EN 1363‑1 [1] se rozložení teploty v peci může
lišit až o ± 100 °C.

2. Přetlak v peci, měřený ve stejné výšce jako tlak mimo pec, musí být neustále sledován. Přetlak by měl být 20 Pa. Snímač tlaku je umístěn 100 mm pod stropem pece. Po 5 min od zahájení zkoušky by tolerance tlaku neměla přesáhnout ± 5 Pa. Po 10 min od začátku zkoušky jsou přípustné limity podle normy ČSN EN 1363‑1 ± 3 Pa.

VIRTUÁLNÍ PEC

Popis modelu

Model je vytvořen ve výpočetním kódu FDS (Fire Dynamics Simulator) verze 6.4.0 [2]. Geometrie pece, materiálové vlastnosti pece, hořáky a ventilační podmínky odpovídají horizontální peci v požární laboratoři PAVUS a. s.

V modelu je použita síť o velikosti buňky 250 × 250 × 250 mm. Velikost sítě byla zvolena s ohledem na rozměry pece, časovou náročnost numerického řešení a dostatečnou přesnost výsledků. V případě přítomnosti zkušebních prvků v peci (ocelový nosník, dřevěné nosníky) je výpočetní síť v oblasti prvků zjemněna tak, aby buňky sítě odpovídaly rozměrům vzorků. V dolní části modelu je výpočetní oblast rozšířena. Nachází se zde ventilační otvor, na který navazuje potrubí pro odvod horkých plynů, viz obr. 2a. Otvor pro odvod plynů má plochu 1,0 × 0,5 m. Ve skutečné peci je otvor vedoucí do potrubí chráněn ocelovou svařenou konstrukcí. V modelu je tato konstrukce simulována ocelovou deskou umístěnou 250 mm nad otvorem. Desku lze vidět na obrázku 2b. Na obr. 2b jsou vidět také hořáky a výklenky se čtyřmi průzory. Velikost výklenků je 0,75 × 0,5 m a jejich hloubka je 0,5 m. Jsou umístěny 1,25 m nad podlahou.

Materiálové vlastnosti obvodových konstrukcí pece jsou převzaty z technických listů výrobců. Patří mezi ně hustota, měrná tepelná kapacita a součinitel tepelné vodivosti vysocehlinitých cihel, tepelně izolačních cihel, desek z křemičitanu vápenatého, bloků z žáruvzdorných keramických vláken, oceli a izolačního žáruvzdorného betonu. Podrobné vlastnosti materiálu obvodových konstrukcí pece, které byly použity v modelu, jsou popsány v [3] a [4]. Další použité materiály odpovídají zkoušeným vzorkům – ocel, dřevo.

Hořáky jsou v modelu simulovány jako osm čtvercových povrchů typu VENT o rozměrech 250 × 250 mm, které se nacházejí ve výšce 0,625 m nad podlahou. Palivo použité ve virtuální peci se skládá ze směsi zemního plynu a vzduchu, stejně jako v případě skutečné pece. Reakce spalování směsi zemního plynu a vzduchu je v modelu dána chemickou rovnicí. Výkonnost hořáků se postupně zvyšuje v závislosti na čase podle výkonů hořáků naměřených při pilotní požární zkoušce. V modelu je výkon definován pomocí tzv. RAMP funkce rychlosti uvolňování tepla na plochu povrchu (HRRPUA). Podrobnosti reakce hoření a výkonu hořáků jsou uvedeny v [3] a [4].

Ventilační odtah je v modelu simulován jako duté obdélníkové potrubí z betonu s otvory v peci a na hranici výpočetní oblasti. V počátcích modelování byly tyto otvory vytvořeny plochou typu VENT OPEN. Tento typ ploch umožňoval přirozené proudění plynů. Přirozený tok plynů se ukázal být nedostatečný pro zajištění správného přetlaku uvnitř pece. Ventilační systém byl proto doplněn o frekvenční ventilátor, který má za úkol odebrat přebytečný přetlak ve virtuální peci. Princip ventilátoru v modelu tak odpovídá principu ve skutečné peci – ventilátor je aktivován a deaktivován automaticky v závislosti na hodnotách přetlaku vypočítaných či naměřených tlakovým čidlem. Maximální výkon ventilátoru ve virtuální peci je stanoven na 4,0 m³/s [5].

V modelu je teplota plynu vypočtena pomocí zařízení typu THERMOCOUPLE a ADIABATIC SURFACE TEMPERATURE. Tato zařízení umožňují porovnat vypočítanou teplotu s teplotou naměřenou během požární zkoušky na plášťových termočláncích a deskových snímačích teploty. Během požární zkoušky byly v prostoru pece rovnoměrně rozmístěny termočlánky a deskové snímače teploty, které později sloužily k validaci modelu. Pravidelný rastr snímačů je zobrazen na obrázku 2a a 2b. Obr. 2a ukazuje umístění plášťových termočlánků (na obrázku označených jako TC) a deskových snímačů teploty (na obrázku označených jako PT) v řezu C‑C. Snímače byly umístěny ve 3 výškových úrovních – 100 mm pod stropem, 750 mm pod stropem a 1 250 mm pod stropem. V modelu jsou teplotní čidla zobrazena jako zelené body, viz obr. 2b. Ve virtuální peci je rovněž regulován přetlak. Umístění tlakového čidla v reálné peci je znázorněno na obrázku 2a (na obrázku označeno jako P).

Výsledky

Vybrané výsledky ze simulace pece bez zkušebního vzorku jsou uvedeny na obr. 3 a obr. 4. Na obr. 3 je zobrazeno rozložení teploty plynu pod stropem virtuální pece v 10 min (obr. 3a) a 30 min (obr. 3b) výpočtu. Gradient červené barvy ukazuje nerovnoměrné rozložení teploty. Nejnižší teplota byla vypočítána v místech na obrázku označených jako MIN. Naopak nejvyšší teplota byla vypočtena na místech označených jako MAX. Z obrázků je vidět, že rozdíl teplot se s přibývajícím časem vyrovnává. I tak ale nejsou teploty v peci zcela rovnoměrné.

Na obr. 4a je vizualizace virtuální pece s ocelovým nosníkem IPE 400. Barevná škála uvádí adiabatickou teplotu povrchů ve °C. Obr. 4b zobrazuje vypočítanou teplotu povrchu spodní pásnice a stojiny nosníky ve virtuální peci. Ve shodném grafu je teplota po rovnána s teplotami z deskových snímačů teploty, které byly během experimentu umístěné kolem nosníku.

VALIDACE POMOCÍ POŽÁRNÍCH ZKOUŠEK

K validaci modelu bylo provedeno několik požárních zkoušek v laboratoři PAVUS a.s. ve Veselí n. Lužnicí. První zkouška byla provedena v prázdné peci – bez zkušebního vzorku. Tento experiment sloužil pro získání informací o výkonu hořáků v peci. Dále byly provedeny experimenty se zkoušenými prvky – s ocelovým nosníkem (obr. 5a), dřevěnými nosníky (obr. 5b) a dalšími prvky. Ke každému experimentu byl vytvořen numerický model s odpovídajícím zkoušeným vzorkem. Modely byly porovnány pomocí vypočítaných teplot a změřených teplot ve shodné výšce, 100 mm pod stropem pece.

Vývoj průměrné teploty v čase, který je vypočítán ze všech zařízení umístěných 100 mm pod stropem, je znázorněn na obr. 6a. Tato zařízení simulují teplotu na deskových snímačích teploty z virtuální pece bez zkoušeného vzorku. Vývoj vypočítané teploty je porovnán s normovou teplotní křivkou (v grafu označeno jako ISO 834) a s teplotní křivkou pocházející z požární zkoušky. Křivka z požární zkoušky je vypočítána shodně, jako průměrná teplota ze všech teplot naměřených na deskových snímačích teploty, které byly během požární zkoušky umístěny 100 mm pod stropem. Na základě porovnání uvedeného na obr. 6a lze konstatovat, že výsledky z virtuální pece jsou v dobré shodě s experimentem. Po 5 min je teplota vypočítaná ve virtuální peci v rámci přijatelné tolerance ± 100 ° C, která je dána normou ČSN EN 1363‑1 [1].

Přetlak pece ve vztahu k tlaku mimo pec vypočítaný ve virtuální peci je porovnán s vývojem tlaku měřeného při požárním experimentu. Porovnání je vidět na obr. 6b. Před časem 5 min lze pozorovat velké výkyvy z výsledků virtuální pece stejně jako při experimentu. Pak se vývoj tlaku ve skutečné peci udržuje kolem úrovně 20 Pa. V modelu je přetlak uvnitř pece místně vyšší. To je způsobeno vlivem setrvačnosti účinnosti frekvenčního ventilátoru v modelu. Povolená tolerance uvedená v normě ČSN EN 1363‑1 se dá ale považovat za splněnou.

Obr. 7a uvádí průběh teplot z numerického modelu a z experimentu, při kterém byl přítomen ocelový nosník IPE 400. Obr. 7a rovněž znázorňuje normovou teplotní křivku a povolené tolerance dané normou [1]. Z grafu je patrné, že v počáteční fázi je teplota ze simulace výrazně vyšší než během experimentu. Po uplynutí 5 min ale dochází ke srovnání obou křivek a vypočítaná teplota má shodný průběh jako teplota z experimentu.

Validace virtuální pece s dřevěnými nosníky je provedena shodně, pomocí teplot pod stropem pece. Jejich porovnání je uvedeno na obr. 7b. Z grafu je vidět, že i v tomto případě je na počátku simulace teplota ve virtuální peci vyšší, než je tomu ve skutečné peci. Po 5 min ale opět dochází k vyrovnání průběhu teplot a povolená tolerance teplot podle [1] je splněna.

SHRNUTÍ

Článek přestavuje numerický model horizontální pece pro zkoušky požární odolnosti. Model umožňuje kontrolu teploty plynu a statického přetlaku v objemu pece tak, aby splňoval požadavky normy ČSN EN 1363‑1: 2013, která stanovuje podmínky pro zkoušky požární odolnosti.

Přesnost modelu je ověřena pomocí výsledků z požárních zkoušek provedených v horizontální peci požární laboratoře PAVUS a. s. Požární zkouška prázdné vodorovné pece, bez zkušebního vzorku, pomohla nastavit výkon hořáků. Dále spolu s ostatními zkouškami s ocelovým nosníkem a dřevěnými nosníky umožnila ověřit celkovou funkčnost a přesnost virtuální pece. Porovnáním vypočítané teploty s teplotou měřenou při požárních zkouškách bylo prokázáno, že po 5 min simulace je teplota ve virtuální peci v přijatelné toleranci ± 100 ° C, což odpovídá toleranci uvedené v normě ČSN EN 1363‑1. Stejně tak i přetlak ve virtuální peci odpovídá uvedeným limitním hodnotám a splňuje tak požadavky kladené normou. Tato metoda využívající analýzu dynamiky plynů (CFD) se tedy jeví jako vhodná pro předpověď teplot v peci pro zkoušení požární odolnosti konstrukcí.

Pro využití virtuální pece širší veřejností, např. pracovníky požárních zkušeben, je potřeba dalšího vývoje a zdokonalování modelu. Za zmínku stojí zdokonalení systému ventilace, aby nedocházelo k lokálním výkyvům přetlaku z důvodu setrvačnosti účinnosti ventilátoru. Dále je možné vylepšit výpočetní síť, hlavně v případě přítomnosti hořlavých vzorků v peci, zavést plně automatický systém funkce hořáků či zpřesnit materiálové vlastnosti pomocí vlastních zkoušek. S těmito a dalšími pokroky je možné dosáhnout přesnějších výsledků.

Závěrem lze konstatovat, že virtuální pec má velký potenciál pro zkoumání teplotních účinků při zkouškách požární odolnosti. Výhoda spočívá v opakovatelnosti numerických zkoušek a vyhodnocení velkého počtu technických alternativ a okrajových podmínek. Výzkum z virtuální pece může být také využit pro optimalizaci nastavení skutečné pece, aby bylo dosaženo rovnoměrného rozložení teploty v celém objemu pece.

PODĚKOVÁNÍ

Výzkum prezentovaný v tomto článku byl podpořen projektem č. 16‑18448S v rámci Grantové Agentury ČR. Autoři článku by rovněž rádi poděkovali pracovníkům požární zkušebny PAVUS a. s.

LITERATURA:
[1] ČSN EN 1363‑1. Zkoušení požární odolnosti – Část 1: Základní požadavky. Praha:ÚNMZ, 2013.
[2] McGrattan, K., et al. 2013. Fire Dynamics Simulator (Version 6) – User’s Guide. Gaithersburg, Maryland, USA: National Institute for Standards and Technology, Special Publication 1019 – Sixth Edition.
[3] Lišková, N. 2017. Adiabatická teplota povrchu ve vodorovné peci, Diplomová práce, ČVUT v Praze, Fakulta stavební.
[4] Novotná, P. 2017. Modelování požární zkoušky v peci, Diplomová práce, ČVUT v Praze, Fakulta stavební.
[5] Zeman, F. 2018. Virtuální pec pro zkoušení požární odolnosti konstrukcí, Diplomová práce, ČVUT v Praze, Fakulta stavební.

Autoři

• Ing. Cábová Kamila Ph.D.
• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Zeman Filip