Proračun AB konstrukcija na požarno djelovanje

1. Proračun AB konstrukcija na požarno djelovanje Literatura: Čelične konstrukcije 1, Androić, Dujmović, Džeba Betonske konstrukcije 2 – rješeni primjeri, Radić i suradnici Betonske konstrukcije – priručnik, Radić i suradnici Fire Safety Engineering – Design of structures, J. A. Purkiss EN 1991-1-2 (HRN ENV 1991-2-2) EN 1992-1-2 (HRN ENV 1991-1-2)

2. Požar – nekontrolirano gorenje čijom se vatrom ugrožavaju materijalne vrijednosti (materijalna šteta) ili ljudski životi. OPASNOSTI IZ PRIRODNOG OKOLIŠA snijeg, vjetar, grom, potres, odroni, slijeganja tla, podzemne vode i dr. OPASNOSTI KAO POSLJEDICA LJUDSKE DJELATNOSTI I KORIŠTENJA nemarnost, nebriga, način korištenja, eksplozija, podmetnuti požar i dr. U svijetu godišnje strada 2-6% stambenih zgrada te 40-50 000 ljudi izgubi život uz nastale ogromne materijalne štete.

3. → Djelovanje požara na (AB) konstrukcije se manifestira kao: U čemu je specifičnost djelovanja POŽARA na (AB) konstrukcije? Uzrokuje naprezanja (unutarnje sile – M, T, N) 1. MEHANIČKO DJELOVANJE: 2. DEGRADACIJA OTPORNOSTI: Redukcija popr. presjeka Degradacija poprečnog presjeka Degradacija mehaničkih karakteristika gradiva

4. Velike havarije konstrukcija uzrokovanih djelovanjem požara Windsor Tower, Madrid, 12.02.2005.

6. POŽARNA ZAŠTITA • Opći cilj požarne zaštite - ograničenje rizika pri požaru za osobe i društvo, susjednu imovinu i gdje se to zahtijeva, za izravno izloženu imovinu. Građevina mora biti proračunata tako da u slučaju izbijanja požara: nosivost konstrukcije ostane sačuvana kroz zadano vrijeme (požar ekstremno djelovanje), stvaranje i širenje požara i dima bude ograničeno, širenje požara na susjedne građevine bude ograničeno, korisnici mogu napustiti građevinu ili mogu biti spašeni na druge načine. Mjere građevinske zaštite od požara uključuju (aktivne i pasivne): Sigurnost objekata u slučaju požara, Podjela objekta na požarne odjeljke, Predviđanje pravaca evakuacije. Predviđanje aktivne zaštite od požara Proračun mehaničke otpornosti konstrukcije na požarno djelovanje

7. OSNOVNI POJMOVI Požarna otpornost – sposobnost konstrukcije ili elementa da zadovolji zahtjeve namjene (nosivost, razdvajanje) za propisanu požarnu izloženost i propisano vrijeme. Požarni odjeljak (sektor) – prostor unutar zgrade koji se proteže preko jednog ili više katova i koji je odvojen razdjelnim elementima, tako da je spriječeno širenje požara za vrijeme mjerodavne izloženosti požaru. Razdjelni elementi – konstrukcijski i nekonstrukcijski elementi (zidovi i stropovi) kojima je omeđen požarni odjeljak. Proračunski požar – propisani razvoj požara koji se pretpostavlja u proračunu. Potpuno razvijeni požar – stanje pune uključenosti svih gorivih površina u požaru u određenom prostoru. Standardna (nominalna) požarna krivulja - nazivna krivulja koja predstavlja odnos temperatura – vrijeme za požarno opterećenje od gorenja drva.

8. REALNI POŽAR Za nastanak požara unutar građevine bitno je razlikovati: • uzrok zapaljenja, • dostatnost kisika, • dostatnost goriva, Faze razvoja požara: Zapaljenje ili tinjanja – započinje pri malim temperaturama, vrijeme je teško procijeniti. i nema utjecaja na konstrukciju; Širenje ili razvijanje požara – u toj fazi požar je lokalnog karaktera i fazi širenja može buknuti ili se lokalizirati (ovisno o kisiku i dr.) Buktanje – kratka faza koju karakterizira iznenadna erupcija požara u cijelom požarnom odjeljku; Potpuno razvijeni požar - faza nakon buktanja gdje se požar u potpunosti razvio u cijelom odjeljku uz veliko povećanje temperature plina. Hlađenje– faza opadanja požara kojoj odgovara smanjenje temperature plina sve dok gorivi materijal u potpunosti ne izgori.

9. Potpuno razvijeni požar ovisi o količini kisika te razlikuje se: • Fuel controlled – ima na raspolaganju dosta kisika tako da rata izgaranja ovisi samo o karakteristikama materijala koji gori; • Ventilation controlled – nema dovoljno kisika tako da rata izgaranje ovisi isključivo o raspoloživom kisiku; STANDARDNI POŽAR - ISO 834 požarna krivulja Dogovorna krivulja iz 1975g. • Razlog je bio harmonizirati način ispitivanja a tada se učinila ova krivulja najprimjerenija. • Temelji se na krivulji potpunog sagorijevanja drvenog goriva (gorivo na bazi celuloze) jer prijašnja ispitivanja se temeljila na sagorijevanju drveta. • Izraz koji opisuje krivulju:

10. Standardna krivulja ISO 834 - nedostaci • ne daje podatke o realnom požaru (ne poklapa se s realnim požarom), • nema faze hlađenja, • u požarnom sektoru predviđa samo jednu temperaturu, • ne uzima u obzir ograničenje postojanje otvora i dr. Uz manje modifikacije (dopunu) i u novim normama je zadržana kao nominalna krivulja. Razlog je postojanje baze podataka ispitivanja s ovim požarom i pogodnost laboratorijskog ispitivanja. Utvrđene su koleracije s drugim modelima krivulja. Izraz za vanjsku krivulju (element je izvana) Izraz za ugljikovodičnu krivulju

11. DOSADAŠNJA ANALIZA KONSTRUKCIJE PRI POŽARU • Za pojedine konstrukcije i elemente bile su propisane zahtijevane klase požarne otpornosti. • To je bilo definirano vremenom koji pojedini element konstrukcije mora odoljevati standarnom požaru. • Postojala je klasifikacija objekata i dijelova objekata u različite klase (razrede) požarne otpornosti. • U prijašnjoj tehničkoj regulativi pojedinih zemalja zahtijevane požarne otpornosti su dosta precizno određene, kako za različite tipove konstrukcija tako i u zavisnosti katnosti građevine, namjene, površine i visine požarnih odjeljaka u građevini. • U Hrvatskoj je ta problematika tretirana u ograničenom obliku pa je bila definirana podjela tipova konstrukcija i elemenata konstrukcije prema njihovoj požarnoj otpornosti.

12. Elementi konstrukcije su stoga morali imati potrebnu nosivost za izloženost standardnom požaru tijekom određenog vremena. • Sam proračun AB konstrukcija se svodio da se odredi min. zaštitni sloj i min. dimenzije elemenata konstrukcije. TKO JE MORAO KORISTIO JE NJEMAČKU NORMU DIN 4102-1 (izašla u prvom obliku još 1981 g) • Čelične na propisanu zaštitu premazima ili oblogom, a za drvene dodatnu dimenziju elementa ili zaštitu • TO JE BILO ODREĐENO POŽARNIM ELABORATOM

13. ANALIZA KONSTRUKCIJE PRI POŽARU PREMA EUROKODU • Prvi korak u analizi konstrukcije u slučaju djelovanja požara je određivanje toplinskog djelovanja. • Postoje dva osnovna načina određivanja tog djelovanja i prije početka projektiranja potrebno je odabrati jedan od ta dva načina: • Prva mogućnost se temelji na postupku prema propisanim pravilima (prescriptive rules). Djelovanje na konstrukciju se određuje prema jednoj od nominalnih krivulja požara (standardna ili parametarska). Ova mogućnost projektanta svodi na pasivnu ulogu u projektiranju. Slično ili gotovo isto kao dosadašnji pristup. 2. Druga mogućnost se temelji na provođenju proračunske analize konstrukcije (performace based rules). Određivanje toplinskog djelovanja na konstrukciju temelji se na usvajanju i analizi fizikalnih i kemijskih parametara.

14. Proračunski postupak

15. RAČUNSKA ANALIZA KONSTRUKCIJE PRI POŽARU Prijedlog proračuna na požarno djelovanje prema EUROKODU podrazumijeva sljedeće korake: • izbor odgovarajuće proračunske situacije (požarni scenarij), • određivanje odgovarajućeg proračunskog požara, • proračun razvoja temperature (u prostoru i konstrukcijskim elementima, • proračun mehaničkog ponašanja konstrukcije izložene požaru.

16. DEFINIRANJE POŽARNOG SCENARIJA • Da bi se odredila izvanredna proračunska situacija, treba odrediti proračunski požarni događaj i s njim vezani proračunski požar na temelju prosuđivanja požarnog rizika. • Scenario požara (proračunska situacija) obuhvaća definiranje i opis: • Podataka o samom požaru kao što je veličina i izvor zapaljenja, vrsta goriva, gustoća požarnog opterećenja i dr. • Podatke koji utječu na razvoj požara kao što su uvjeti ventilacije, vanjski uvjeti okoline, veličina požarnih odjeljaka, svojstva zidova požarnog odjeljka, utjecaj aktivnih mjera sprečavanja požara itd. • Položaj i mjesta nastanka požara u odnosu na glavne nosive dijelove konstrukcije.

17. ODREĐIVANJE PRORAČUNSKOG POŽARA • Proračunski požar (design fire) predstavlja potanko opisani razvoj požara koji se usvaja radi proračuna konstrukcije u slučaju pojave požara. • Da bi se on odredio potrebno je u prvom redu odrediti požarno opterećenje Qfi(toplinska energija koja se oslobađa izgaranjem gorivog materijala u prostoru građevine), odnosno proračunsku gustoću požarnog opterećenja (qf,d) i definirati ratu oslobađanja topline (Q) za vrijeme požara. • Proračun gustoće požarnog opterećenja – mjera oslobođene energije

19. Nakon što se odredi požarno opterećenje potrebno je poznavati ratu kojom će ono izgarati. • Proračunska gustoće požarnog opterećenja (qf,d) – mjera raspoložive energije u požaru • Rata oslobađanja topline za vrijeme požara (Q) - snaga požara i utječe na temperaturu plina Q je izvor porasta temperature i ima glavnu ulogu za rasprostiranje plina i dima. Može se dogoditi: 1. Požar dosegne maksimalnu vrijednost bez ograničenja kisika (Q je ograničena s požarnim opterećenjem) 2. Požar dosegne maksimalnu vrijednost uz ograničenje kisika jer ga nema dovoljno u požarnom odjeljku (Q je ograničen raspoloživim kisikom) Kod obje ove mogućnosti požara nakon što požar prođe fazu buktanja može se dogoditi: 1. Lokalizirani požar – dio odjeljka je u požaru – postoje dvije krivulje temperatura vrijeme 2. Potpuno razvijeni požar – sve gori istom uz razvoj jedinstvene temperature

20. Da bi se definirao računski požar s ratom oslobađanja topline Q za vrijeme požara potrebno je odrediti: • Rate razvoja požara FGR • Gustoće požarnog opterećenja qf • Površine izložene požaru Afi • Uvjete ventilacije • Moguće je Q krivulju odrediti i eksperimentalno.

21. PRORAČUN TEMPERATURA • Proračun temperatura u zatvorenom prostoru • -Općim pravilima prijenosa topline; • Nominalnim krivuljama temperatura-vrijeme; • Modelima prirodnog požara.

22. Opća pravila prijenosa topline u prostoru • Uporaba diferencijalnih jednadžbi (Fourier) koje određuju prijenos topline uslijed temperaturnog djelovanja u konstrukcijski element. • Uz odgovarajuća pojednostavljenja, pretpostavke i definirane rubne uvjete može se raspodjela temperature u prostoru u vremenu i odrediti promjena temperature u promatranom elementu konstrukcije. • To je postupak prihvatljiv za detaljnije analize u programima s konačnim elementima gdje su isprogramirane diferencijalne jednadžbe i dr.

23. Nominalne krivulje temperatura-vrijeme • Definiraju zakonitosti razvoja temperature u vremenu u građevinskom objektu ne uzimajući u obzir uvjete u samom objektu (požarno opterećenje, sustav ventiliranja objekta, sustav aktivne zaštite i sl.) • 1. Krivulja standardnog požara • 2. Krivulja vanjskog požara • 3. Krivulja ugljikovodika

24. Premda nominalne krivulje imaju dosta nedostataka dosta su praktične u dokazu otpornosti elementa, a za ograničenu primjenu (za požarne sektore do 500 m2 i dr) mogu se usporediti vremena žestine standardnog požara i realnog požara. • Ekvivalentno vrijeme izloženosti standardnoj požarnoj krivulji određeno je izrazom

25. Modeli prirodnog požara • Modeli prirodnog požara pokrivaju razvoj požara koji je realan i za kojeg se očekuje da • će se pojaviti. • Ti modeli uzimaju u obzir glavne parametre koji utječu na širenje požara (požarno • opterećenje, veličinu zgrade, uvjete ventiliranja i dr.) • To su skuplje analize kojima se dobijaju realnije krivulje požara. • EN 1991-1-2 razlikuje: • 1. Pojednostavljeni modeli požara – jednostavni fizikalni modeli s ograničenim • područjem primjene • Modeli požara u sektoru (zatvorenom prostoru) • Modeli ograničenih požara (lokalizirani požari) • 2. Napredni modeli požara – uzimaju u obzir karakteristike plina, izmjenu mase i izmjenu energije • Modeli jedne zone – u odjeljku djeluje samo jedna jednolika krivulja temp.- vijeme • Modeli dvije zone – u odjeljku djeluje dvije krivulje temp.- vijeme (u gornje i donjem dijelu) • Modeli polja (CFD) – daju razvoj temperature u sektoru u potpunosti u ovisnosti vremena i prostora.

26. Pojednostavljeni modeli požara • Modeli požara u sektoru – pretpostavljaju jednoliku raspodjelu temperature u cijelom prostoru. Daju krivulje temp-vrijeme uzimajući u obzir požarno opterećenje i uvjete ventiliranje na zidovima (vrata i prozori). • Primjenjivi su za zatvorene prostore tlocrtne površine do 500 m2 bez otvora na krovu i maksimalne visine stropa do 4 m. • Glavna pretpostavka ovih modela je izgaranje cjelokupnog požarnog opterećenja. • Postoji veza ovih modela i standardnih krivulja preko ekvivalentnog vremena izloženosti. • EN 1991-1-2 daje parametarsku krivulju – preporuka za pojednostavljeni model

28. Napredni modeli požara • Modeli jedne i dvije zone – polaze od pretpostavke da se zatvoreni prostor može podjeliti u određeni broj zona tako da svaka ima približno jednake karakteristike (masu, gustoću, temperaturu, tlak i unutarnju energiju) jer je realno simuliranje dosta složena zadaća kod numeričkog modeliranja pa su uvedena određena pojednostavljenja. • Modeliranje u zonama polazi od sustava diferencijalnih jednadžbi koje su izvedne koristeći zakon održanja mase (jednadžbe kontinuiteta), zakon održanja energije (prvi zakon termodinamike) i zakon idealnih plinova. • Najčešće se zatvoreni prostor dijelu u dvije zone: • a) Gornja zona – zona vrućih plinova i dima – razvijaju se visoke temperature • b) Donja zona – zona u kojoj se zadržava sobna temperatura i sobni tlak • Međusobna djelovanja zona posljedica su izmjene mase i energije. Tu su prisutna još neka pojednostavljenja kao što su: • - specifični toplinski kapacitet cp i cv se uzimaju konstantni, • - hidrostatski uvjeti su zanemareni – zakon idealnih plinova

29. Proračun temperature u nosivom elementu Toplinska djelovanja na konstrukciju su opisana NETO TOPLINSKIM TOKOM (hnet,d), koji se određuje razmatranjem toplinskog zračenja i konvekcije u i iz požarnog okoliša. Pri proračunu temperatura na promatranom elementu koristeći krivulje temp.-vrijeme dobivene na jedan od prethodno navedenih načina uzima se neto toplinski tok od konvekcije i zračenja opisan jednadžbom:

30. Temperatura u betonskom ili čeličnom elementu se utvrđuje rješavanjem jednadžbe: Uz odgovarajuća pojednostavljenja za nominalne krivulje i odgovarajuće parametarske modele mogu se dobiti dijagrami raspodjele topline u elemenetu.

31. Proračun AB KONSTRUKCIJA na požarno djelovanje premaEN 1992-1-2

32. Norma pokriva proračun betonskih konstrukcija za izvanredno djelovanje uslijed požara Proračun je povezan s normama EN1992-1-1 i EN1991-1-2. Područje ove norme Norma pokriva i pasivnu zaštitu od požara vezano za proračun betonskih konstrukcija Međutim norma ne pokriva Nosiva funkcija Izbjećiprijevremeno otkazivanje 1. Prednapete konstrukcije s vanjskim kabelima Funkcija razdvajanja Ograničiti širenje požara (plamena, plinova & pretjerane topline) 2. Ljuske Norma vrijedi za betone do razreda C90/105, odnosno za LC do razreda LC55/60

33. Osnovni zahtijevi za konstrukciju Za vrijeme relevantnog požara Nosiva funkcija Mehanička otpornost treba biti zadržana – Ne smije doći do prijevremenog kolapsa Za elemente ispojeve koji formiraju ograđene prostore (požarne sektore): Ne smije doći do degradacije i prolaska topline kroz elemente Toplinska radijacija na neizloženoj strani je ograničena (Nije relevantno za konstrukcije koje obrađuje ova norma) Funkcija razdvajanja Deformacijski kriterij Kada način zaštite i proračun elemenata konstrukcije zahtijeva uzimanje u obzir deformacije nosive konstrukcije

34. Izloženost standardnom požaru KriterijR Nosiva funkcija je zadržana tijekom zahtijevane izloženosti požaru. • Povećanje temperature na neizloženoj strani mora biti ograničeno na: • Prosječno povećanje ≤ 140 K • Max. povećanje u nekoj točki ≤180 K KriterijI KriterijE Prolazplamena i vrućih plinova kroz element je spriječen. Elementi se moraju oduprijeti horizontalnom koncentriranom opterećenju određenom normom EN1363-2. KriterijM

35. Izloženost parametarskom požaru Funkcija razdvajanja E i I Povećanje temperature na neizloženoj strani: • Za vrijeme faze zagrijavanja, • Prosječni rast < 140 K • Maksimalni rast < 180 K • Za vrijeme faze opadanja, • Prosječni rast < 200 K • Maksimalni rast < 240 K Nosiva funkcija R Treba biti zadržana tijekom cijelog vremena izloženosti

36. Poračunske vrijednosti mehaničkih svojstava gradivaXd,fi Za mehanička svojstva gradiva (čvrstoćai rel. deformacija): Parcijalni faktor sigurnosti za materijal za požarnu situaciju = 1.0 za beton i armaturu (običnu i prednapetu) (određuje National Annex) = (Xk, / Xk ), faktor redukcije mehaničkih svojstava ovisno o temperaturi Karakteristična vrijednost (fkor Ek ) pri normalnoj temperaturi Ako se mijenja predloženi γM,fipotrebno je mijenjati i tablične podatke za proračun.

37. Uvjet nosivosti Proračunsko djelovanje Proračunska otpornost ( uključujućiefekte toplinskog širenja deformacije) EN1992-1-2 EN1991-1-2 Analiza elementa Analiza dijelova konstrukcije Izloženost standardnom požaru Požarni testovi Globalna analiza konstrukcije Drugi modeli izloženosti požaru Tablični podaci prikazani kasnije se temelje na izloženosti standardnom požaru.

38. Analiza elemenata – Proračunsko djelovanje Određivanje proračunskog djelovanja za vrijeme t = 0 uz uporabu faktora kombinacijeψ1,1iliψ2,1prema EN1991-1-2. Pojednostavljeno, proračunsko djelovanje Ed,fimože se odrediti preko proračunskog djelovanja : Proračunska djelovanja za proračun pri normalnoj temperaturi Faktor redukcije vezan za kombinaciju proračunskog djelovanja Proračunsko djelovanje Edse odredi u skladu s EN1990.

39. Faktor redukcije za kombinaciju opterećenja fi Za kombinaciju opterećenja: Djelovanja: Stalno Prednapinjanje Korisno opt. Dopunsko korisno opt. Parcijalni faktori Eq.(6.10) u EN1991 Faktor redukcije fimože se preko: Faktor kombinacije za učestalu ili kvazistalnu vrijednost djelovanja određeno s ψ1,1 or ψ2,1

40. Primjer određivanja fi Skladišta Trgovine Stambeno- poslovni prostori Opt. vjetrom Pojednostavnjeno, fi = 0.7 za skladišta fi = 0.65 za ostalo

41. Druga proračunska razmatranja  Termičke deformacije uslijed temperaturnog gradijenta po visini presjeka Uzdužno ili u ravnini toplinsko izduženje  Thermal gradient Rubni uvjeti na osloncima i krajevima elementa ostaju nepromjenji Time = 0  Time = t

42. Analiza dijelova (sklopova) konstrukcije Proračunsko djelovanje prema EN1990 Analiza obuhvaća: Svojstva gradiva Svojstva elementa Načine sloma Toplinsko izduženje i deformacija itd Vremenski neovisnioslonci i rubni uvjeti Ostaju nepromjenjena za vrijeme požara

43. Globalna analiza konstrukcije Svojstva gradiva Način sloma Svojstva elementa Učinci toplinskog povećanja i deformacije

44. Svojstva gradiva u požaru EN1992-1-1 Odnos naprezanje-rel. deformacija Modul elastičnosti Granica tečenja Mehanička svojstva Beton normalne težine Armaturni čelik Prednapeti čelik Betoni visoke čvrstoće Lakoagregatni beton + Toplinsko izduženje Specifična topl. energ. Toplinska provodljivost Toplinska svojstva Poglavlje 6 Vrijednosti svojstava gradiva u ovom poglavlju uzimaju se kao karakteristične vrijednosti.

45. Ponašanje betona pod tlakom u požaru – matematički model 2 ~ 50 K/min Vrijedi za prirast temperature: 1. 2. Tri parametra:fc,, c1,icu1,, su ovisni o temperaturi

46. Parametri tlačne čvrstoće betona Beton iz silikatnog agregata ima veću redukciju čvrstoće nego beton iz vapnenačkog agregata Promjena rel. deformacije: c1, and cu1,ovisno o temperaturi je ista za beton iz oba tipa agregata.

47. Ponašanje vlačno opterećenog betona Konzervativni pristup: Vlačna čvrstoća betona se u pravilu može zanemariti. Ako je nužno uzeti u obzir vlačnu čvrstoću U odstunosti točnjih podataka može se primjeniti prikazan dijagram.

48. Armaturni čelik 2 ~ 50 K/min Vrijedi samo za prirast temper.: Tangentni modul Et, Razred A čelika: εst,θ = 0.05; εsu,θ = 0.10 = fp,/ Ea, = 0.02 = 0.15 = 0.20

49. Faktor redukcije za čelik

50. Prednapeti čelik 2 ~ 50 K/min Vrijedi za prirast temp.: Tangentni modul Et, = fp,/ Ea, = 0.02 = 0.15 = 0.20