1. No category

20.10.2014
Poţarna obteţba in razvoj
poţara v poţarnem sektorju
Tomaţ Hozjan
e-mail: tomaz.hozjan@fgg.uni-lj.si
soba: 503
Postopek poţarnega
projektiranja konstrukcij (SIST
EN 1992-1-2
Izbira za projektiranje merodajnih
poţarnih scenarijev
 Določitev ustreznih projektnih poţarov
 Izračun razvoja temperaturnega polja
konstrukcijskih elementov
 Izračun mehanskega odziva
konstrukcije, izpostavljene poţaru.

2
1
20.10.2014
Projektni poţarni scenarij



za določitev nezgodnih projektnih
razmer, je potrebno določiti ustrezne
poţarne scenarije in ustrezne projektne
poţare
pri konstrukcijah, kjer se nevarnost
nastanka poţara pri pojavu drugih
nezgodnih vplivov, je treba upoštevati
poţarno nevarnost znotraj celotnega
koncepta varnosti (potres+poţar)
obnašanja v odvisnosti od časa in
obteţbe konstrukcije pred poţarom ni
potrebno upoštevati, razen v prejšnjem
primeru
3
Projektni poţar



za vsak poţarni scenarij je potrebno
oceniti projektni poţar v poţarnem
sektorju
projektni poţar naj sočasno velja le za
en poţarni sektor stavbe, razen če je v
poţarnem scenariju predvideno drugače
pri konstrukcijah, za katere nacionalne
oblasti določajo zahteve poţarne
odpornosti konstrukcije, se predpostavi,
da je ustrezen projektni poţar opredeljen
s standardnim poţarom, če ni določeno
drugače (odpornost R)
4
2
20.10.2014
Nominalne poţarne krivulje
Temperaturna (toplotna)
analiza
pri temperaturni analizi je potrebno
upoštevati lego projektnega poţara
glede na element
 pri zunanjih elementih je potrebno
upoštevati izpostavljenost poţaru
skozi odprtine
 na izbran projektni poţar izvedemo
toplotno analizo brez ali s fazo
ohlajevanja

6
3
20.10.2014
Mehanska analiza

Mehansko analizo je treba izvesti za
enak časovni interval, kot je
upoštevan pri temperaturni analizi
7
Mehanska analiza

Vpliv obnašanja materiala
◦ vpliv viskoznega lezenja pri jeklu, časovno
odvisne deformacije
8
4
20.10.2014
Primeri poţarov
9
Primeri poţarov
10
5
20.10.2014
Primeri poţarov
Luščenje pri betonskih
konstrukcijah
11
Primeri poţarov
12
6
20.10.2014
Primeri poţarov
Vpliv dveh nezgodnih
situacij: potres+poţar,
San Franciso (1906)
13
Termini (SIST EN 1992-1-2)

požarni scenarij – kvalitativni opis poteka
poţara s časovno opredeljenimi ključnimi dogodki,
ki označujejo poţar in ga razlikujejo od drugih
moţni poţarov (proces vţiga, širjenje poţara,
stopnja polno razvitega in pojemanja poţara z
upoštevanjem lastnosti ambienta)
[diplomska naloga (Huč, 2013)]
7
20.10.2014
Termini (SIST EN 1992-1-2)

požarna obtežba – vsota toplotnih energij, ki
se sproščajo pri zgorevanju vseh vnetljivih snovi v
prostoru

hitrost sproščanja toplote – toplota
sproščena pri zgorevanju snovi v enoti časa
 gostota požarne obtežbe – poţarna
obteţba na enoto površine tal ali na enoto
površine plašča celotnega sektorja vključno z
odprtinami
 požarni sektor – prostor znotraj stavbe, ki
sega preko enega ali več nadstropij in je
ograjen z ločilnimi elementi, ki preprečujejo
širitev poţara izven sektorja
Poţarna obteţba

SIST EN 1992-1-2
◦ qfd = qfk m dq1 dq2 dn [MJ/m2]
◦ m – zgorevalni faktor
◦ dq1 – faktor, ki upošteva nevarnost
nastanka poţara glede na velikost
sektorja
◦ dq2 – faktor, ki upošteva nevarnost
nastanka poţara glede na rabo
◦ dn – faktor, ki upošteva uporabo aktivnih in
pasivnih ukrepov
8
20.10.2014
Vpliv aktivnih in pasivnih ukrepov
na velikost projektne vrednosti
poţarne obteţbe
Določanje gostote poţarne
obteţbe
zajeti vse gorljive snovi v prostoru,
vključno z gorljivimi deli konstrukcije
 velikost določimo glede na
namembnost prostora ali
 glede na karakteristično poţarno
obteţbo, kjer je potrebno izračunati
velikost poţarne obteţbe glede na
količino gorljivega materiala v prostoru

9
20.10.2014
Določanje gostote poţarne
obteţbe, glede na količino
gorljive snovi
Neto kalorične vrednosti
gorljivih materialov
10
20.10.2014
nadaljevanje tabele
nadaljevanje tabele
11
20.10.2014
Določanje gostote poţarne
obteţbe, glede na namembnost,
statistični pristop
Razvoj poţara v poţarnem
sektorju

Parametri za opis razvoja poţara v
poţarnem sektorju:
◦
◦
◦
◦
◦
◦
Velikost poţarnega sektorja
Lastnosti obodnih sten
Geometrijske
Višina stropa
karakteristike
Odprtine
Površina poţara
Hitrost sproščanja toplote, HRR
Požarne karakteristike
12
20.10.2014
Razvoj poţara v poţarnem
Požarni
sektorju
Sektor
Odprtine
Lastnosti
obodnih sten
c, l, r
Razvoj poţara v poţarnem sektorju


Pri konceptu poţarne varnosti na osnovi
naravnega poţara je razvoj poţara obravnavan v
enem poţarnem sektorju.
Predpostavimo, da se poţar ne bo razširil v druge
sektorje. ALI JE TO RES?
◦ To, je odvisno od obnašanja mejnih konstruktivnih
elementov pri poţaru (tla, stene (vključno z vrati), itd.).
◦ Zahteve: R (odpornost), E (celovitost), I (izolativost)

Razumevanje obnašanja teh elementov je zelo
pomembno za oceno njihove sposobnosti
delovanja kot poţarne pregrade.
13
20.10.2014
Razvoj poţara v poţarnem sektorju

Razpoloţljive so naslednje moţnosti:
◦ Ad-hoc testi: element se v peči izpostavi krivulji
Temperatura-čas, ki jo določimo s poţarnimi modeli, ki
temeljijo na najhujšem poţarnem scenariju.
◦ Strokovna ocena: ta pristop temelji na rezultatih ISOodpornostnih testov na posameznih elementih
◦ Direktna uporaba ISO-zahtev: nacionalni predpisi
definirajo poţarne sektorje z ISO poţarno odpornostjo za
zidove, strope, vrata in tla, glede na uporabo in geometrijo
stavbe.

Prvi dve moţnosti se lahko uporabita pri omejenem
številu ločilnih elementov in bosta vodili do visokih
stroškov. V praksi se pogosto uporablja tretja
možnost.
Hitrost sproščanja toplote


Q = (t/ta)2 [MW]
◦ t – čas v [s]
◦ ta – čas, v katerem se doseţe hitrost
sproščanja toplote 1 MW; enota: [s]
Razvoj poţara, oziroma hitrost sproščanja
toplote je odvisna od materialov in skladno
s tem lahko odvisnost poveţemo z
namembnostjo prostorov
◦ RHRf – največja hitrost sproščanja toplote
na 1 m2 poţara
14
20.10.2014
Hitrost sproščanja toplote
Hitrost sproščanja toplote
Sproščena toplota Q [MW]
25
Qmax = RHRf Afi
20
15
70% qf,d
10
5
30% qf,d
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Čas [min]
15
20.10.2014
Hitrost sproščanja toplote
25
Sproščena toplota Q [MW]
Polno razvit poţar
20
Faza
pojemajočega
poţara
Faza
razvoja
poţara
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Čas [min]
Hitrost sproščanja toplote
vpliv ta
75
150
300
600
Sproščena toplota Q [MW]
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Čas [min]
16
20.10.2014
Hitrost sproščanja toplote
pomen ta
75
150
300
600
Sproščena toplota Q [MW]
1.5
1
0.5
0
0
75
150
225
300
375
450
525
600
675
750
Čas [sekund]
Razvoj poţara

Lokalni požar
◦ Del požarnega sektorja je zajel požar.
◦ Sloj toplega in hladnega zraka.

Polno razvit požar
◦ Požar je zajel celotni požarni sektor,
požarna obtežba je enakomerno
porazdeljena po celem sektorju.
◦ Temperatura je enakomerna po celem
prostoru.
17
20.10.2014
Razvoj poţara
LOKALNI POŢAR
T (x,y,z,t) je neenakomerna po
celem poţarnem sektorju
POLNO RAZVIT
POŢAR
T (t) je enakomerna po
celem poţarnem sektorju
Računski modeli za račun
razvoja poţara

Obstajajo različni nivoji računskih
modelov za določanje razvoja poţara:
◦ Enostavni modeli: večinoma parametrične
poţarne krivulje
◦ Sektorski conski modeli: ti modeli
upoštevajo glavne parametre za razvoj in
nadzor poţara (odprtine, lastnosti obodnih
sten, HRR)
◦ Napredni modeli: preveč kompleksni za
splošno uporabo. Najbolj realno opišejo
razvoj temperature po prostoru, pri čemer
lahko zajamemo realno geometrijo
prostora.
18
20.10.2014
Conski Modeli

Eno-conski:
◦ Predpostavke eno-conskih modelov se nanašajo
na posplošen poţar z enakomerno temperaturo v
poţarnem sektorju.

Dvo-conski modeli:
◦ se nanašajo na slojevit dimni pas zaradi
lokaliziranega poţara, dve območji temperatur,
vroč in hladen zrak.
◦ Programsko orodje OZONE.
Lokalni poţar

SIST EN 1991-1-2, Annex C
19
20.10.2014
Polno razvit poţar
Eksperimenti v naravnem merilu 1:1,
Cardington (VB), v 90-ih, prejšnje stoletje in
začetku tega stoletja
Povezava:
http://www.mace.manchester.ac.uk/project/research/structures/strucfire/DataBase/TestData/BR
ETest/default.htm
Polno razvit poţar
Odprtine z
običajnim steklom
Realna poţarna
obteţba
20
20.10.2014
Polno razvit poţar
Polno razvit
poţar
Začetek oziroma
razvoj poţara
Razvoj poţara
LOKALNI POŢAR
POŢAR OSTANE
LOKALIZIRAN
LOKALNI POŢAR
POŢAR SE POLNO
RAZVIJE
POLNO RAZVIT
POŢAR
21
20.10.2014
Razvoj poţara
Razvoj poţara
22
20.10.2014
Razvoj poţara
Razvoj poţara
23
20.10.2014
Razvoj poţara – dvo-conski
model
LOKALNI POŢAR
2 coni




Ozone - Računski model
1 cona
T vročega sloja > 500 oC
Vnetljivi delci v dimu in T dima > 300 oC
Af > 25%
Višina dima >80% celotne višine
24
20.10.2014
2 coni
Polno razvit poţar
1 cona
Ozone - Računski model
Toplotne karakteristike zidov

Izguba toplote v poţarnem sektorju je pomemben
faktor pri določanju temperature (kondukcija). Mejni
element poţarnega sektorja se ogreje s pomočjo
konvekcije in radiacije.

Glavni parametri, ki opisujejo toplotne lastnosti
materiala so:

◦ toplotna kapaciteta cp,
◦ gostota ρ
◦ prevodnost λ
Materialni parametri so odvisni od temperature in s
tem tudi toplotna kapaciteta zidu.
25
20.10.2014
Toplotne karakteristike zidov

V poenostavljenih modelih je uporabljena le tako
imenovana toplotna vztrajnost, b-faktor, ki se
izračuna iz toplotnih karakteristik po naslednji
enačbi
b = λ ⋅ρ ⋅cp



Za izračun koeficienta b se lahko za vrednosti
gostote ρ, specifične toplotne cp in toplotne
prevodnosti λ mejnih elementov privzamejo
vrednosti pri sobni temperaturi [1].
V primeru, da imamo steno iz več slojev
izračunamo nadomestni faktor b.
SIST EN 1991-1-2 Annex A (Parametrična poţarna
krivulja)
Karakteristike odprtin

Stopnja razvitost poţara v zaprtem prostoru je
odvisna od velikosti odprtin v prostoru.
Koeficient odprtin O, uporabljen v poenostavljenih
modelih, je za eno vertikalno odprtino definiran z
naslednjo enačbo

Aw je površina odprtine
H je višina odprtine
Kadar je potrebno upoštevati več vertikalnih
odprtin, je potrebno upoštevati celotno površino in
ekvivalentno višino.

26
20.10.2014
Ozone, Eksperimenti (54
eksperimentov, Univerza v Liegu)
Ozone, Eksperimenti
27
20.10.2014
Ozone, Eksperimenti
Ozone, Eksperimenti
28
20.10.2014
Ozone, Eksperimenti
Ozone, Primerjava model eksperimenti
Maksimalna
temperatura zraka OZone
Maksimalna temperatura
zraka v poţarnem sektorju
29
20.10.2014
Polno razvit poţar

Za modeliranje polno razvitega poţara obstaja več
modelih:
◦ Parametrične krivulje
◦ Conski modeli
◦ Napredni modeli (termodinamika,…) - FDS

Modeli naravnega poţara predstavljajo realnejšo
alternativo standardnim poţarnim krivuljam
◦ Performančni pristop k projektiranju
Parametričen poţar



Bistvo parametričnega poţara je upoštevanje
najpomembnejšega fizikalnega parametra, ki lahko
vpliva na razvoj poţara v določenem objektu.
Tako, kot nominalni poţari, tudi parametrične poţarne
krivulje opisujejo razvoj temperature v odvisnosti od
časa, vendar pa te odvisnosti vsebujejo nekaj dodatnih
parametrov, ki domnevno predstavljajo določeno
povezavo z realnostjo.
Modeli parametričnega poţara na takšen ali drugačen
način upoštevajo naslednje parametre:
◦
◦
◦
◦
geometrija poţarnega sektorja,
poţarna obteţba znotraj poţarnega sektorja,
odprtine v stenah in/ali strehi in
vrsta in lastnosti različnih konstrukcijskih elementov, ki
sestavljajo obod poţarnega sektorja.
30
20.10.2014
Parametričen poţar



Parametrični poţari temeljijo na hipotezi
enakomerne temperature v poţarnem sektorju, kar
omejuje njihovo moţnost uporabe pri polno razvitih
poţarih. V poţarnih sektorjih večjih dimenzij.
Navsezadnje, predstavljajo pomemben korak k
upoštevanju realnega stanja določenega poţara v
primerjavi z naravnim poţarom, medtem ko še
vedno vsebujejo poenostavitve nekaterih
analitičnih izrazov, zato za njihovo uporabo ne
potrebujemo naprednejšega računalniškega
orodja.
SIST EN 1991-1-2 Annex A, Parametrična krivulja
Parametrična krivulja skladno s
SIST EN 1991-1-2, Dodatek A
31
20.10.2014
Parametrična krivulja skladno s
SIST EN 1991-1-2, Dodatek A

Omejitve:
◦
◦
◦
◦
za poţarne sektorje talne površine do 500 m2
brez odprtin v stropu
maksimalna višina sektorja znaša 4 m.
poţarni sektorje s preteţno celuloznim tipom
poţarne obteţbe
◦ obodne stene: 100  b  2200
◦ faktor odprtin: 0,02  O  0,20

Predpostavljeno je, da poţarna
obremenitev sektorja v celoti zgori.
Parametrična krivulja skladno
s
SIST EN 1991-1-2, Dodatek A

Faza ohlajevanja, ločeni izrazi:
32
20.10.2014
Parametrična krivulja skladno
s
SIST EN 1991-1-2, Dodatek A
Parametričen požar [EC 1991 - 1 -2]
1000
900
800
ISO 834
Temperatura
700
600
Faza
ohlajevanja
500
400
Faza
segrevanja
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Čas [min]
Ostali modeli parametričnih
poţarov
Model, ki ga je predstavil LIE (1974)
 Model avtorjev Ma & Mäkeläinen
 “Švedske krivulje”
 Osnova, hitrost sproščanja toplote
lesenega goriva, Kawagoe (1958)
m = 0.092 Av (Hv)1/2
 Ventilacijsko kontroliran poţar (Fv)
 Količina gorljivega materiala (qf,d)

33
20.10.2014
“Švedske krivulje”,
Magnusson in Thelandersson
34