Bevezetés a tűzteherre való tervezésre az Eurocode 3 szerint SSEDTA NFATEC
Szerkezeti Eurocode-ok Eurocode: 0. Tervezés alapjai 1. Szerkezeteket érő hatások 2. Beton- vasbeton szerkezetek 3. Acélszerkezetek 4. Együttdolgozó szerkezetek Tervezés tűzhatásra: 1.2 fejezet mindegyikban 5. Faszerkezetek 6. Falazott szerkezetek 7. Geotechnikai tervezés 8. Földrengés 9. Aluminium szerkezetek
Tűzhatásra való tervezés– követelmények tűz esetén Az építmény meghatározott ideig őrizze meg teherbíró képességét, Az ott tartózkodó emberek az épületet eközben sértetlenül elhagyhassák, A tűzoltók biztonsága mindeddig szavatolt legyen. A tűz és füst keletkezése és tovaterjedése az építményben és a szomszédos építményekre korlátozott legyen.
Minimális tűzállósági idő: brit nemzeti szabvány szerint Földfelszín alatt > 10 m < 10 m < 5 m < 20 m < 30 m > 30 m Iroda: Nincs sprinkler 90 60 30 TILOS Van sprinkler 120 Üzlet, kereskedelem: Gk. parkoló: Oldalról nyitott 15 Egyébként Földfelszín felett
Éghető anyag + Oxigén = Égéstermékek A tűzháromszög Hő A reakció akkor indul be, amikor az oxigén és az éghető anyag keveréke már elég meleg Éghető anyag + Oxigén = Égéstermékek CH4 + O2 = CO2 + 2H20 Oxigén Éghető anyag
A természetes tűz fázisai és a szabványos tűzgörbe Melegedés Belobbanás utáni szakasz 1000-1200°C természetes tűzgörbe Time Hőmérséklet Izzás, parázslás Belobbanás előtti szakasz Hűlés …. Belobbanás az ISO834 szerinti szabványos tűzgörbe
Az EC1 (ISO834) szerinti szabványos tűzgörbe Gázhőmérséklet (°C) 1000 945 900 842 800 781 739 700 675 600 576 500 400 300 200 100 600 1200 1800 2400 3000 3600 Idő (másodperc)
AZ EC1 különböző hőmérséklet–idő görbéi Gázhőmérséklet (°C) A tűzállósági idő a szabványos melegítési vizsgálatra vonatkozik – nem a tényleges élettartamra! 1200 Szénhidrogéntűz 1000 Szabványos tűz 800 Az EC1 szerinti paramet-rikus tűzgörbék a tűzteher és a tűzszakasz jellemzőin alapulnak. Csak számítási modellel használhatók. Jellegzetes EC1 szerinti paramé-teres tűzgörbe Külső tűz 600 400 200 1200 2400 3600 Idő (másodperc)
Szerkezeti elemek melegítési vizsgálata Tűzre vonatkozó vizsgálatok Teher állandó, a hőmérséklet a szabványos tűzgörbe szerint emelkedik Gerenda esetén lehajlási követelmény Oszlop esetén teherbírás-csökkenési követelmény Problémák Támaszköz korlátozott; csak kéttámaszú tartókra végezhető A folytonosság nem modellez-hető. A gerenda „elszalad” A szomszédos szerkezetek hőtágulása nem modellezhető
Szabványos melegítési vizsgálatok a tűzállóság meghatározására 100 200 300 1200 2400 3600 Idő (másodperc) Lehajlás (mm)
Szabványos melegítési vizsgálatok a tűzállóság meghatározására 100 200 300 1200 2400 3600 Idő (másodperc) Lehajlás (mm) L2/400d Ha a sebesség < L2/9000d L/30 Szabványos tűz
Acélok viselkedése magas hőmérsékleten Alakváltozás (%) 0.5 1.0 1.5 2.0 Feszültség (N/mm2) 300 250 200 150 100 50 20°C 200°C 300°C 400°C 500°C 600°C 700°C 800°C 100-200 °C felett az acélanyag lágyulni kezd 700 °C-on már csak a rendes hőmérséklethez tartozó szilárdság 23%-a áll rendelkezésre 800 °C-ig a szilárdság 11%-ra, 900 °C-ig 6%-ra csökken. Az olvadás kb. 1500°C-on következik be.
Az acél feszültség–alakváltozás diagramja magas hőmérsékletekre Feszültség (N/mm2) 300 Feszültség- és alakvál-tozás-csökkentő tényezők a rugalmassági modulus-hoz és a folyáshatárhoz (2%-os egyezményes folyáshatár) 20°C 250 200°C 300°C 400°C 200 500°C 150 600 °C-ra a rugalmassági modulus kb.70%-kal csökken 600°C 100 700°C 50 800°C 600 °C-ra a folyáshatár több mint 50%-kal csökken 0.5 1.0 1.5 2.0 Alakváltozás (%)
Az acél szilárdságának és merevségének leépülése az eredeti értéke %-ában A szilárdság és a merevség csökkenése az S235, S275 és S355 anyagokra, ill. hengerelt acélbetétekre hasonló-an történik (SS) 100 Egyezményes folyáshatár (2% alakváltozásnál) SS Rugalmassági modulus SS Rft Rft 80 60 A hidegen húzott S500 minőségű acélbetétek jellemzői gyorsabban épülnek le (Rft) 40 20 300 600 900 1200 Hőmérséklet (°C)
Beton feszültség-alakváltozás görbéi magas hőmérsékleten Normalizált feszültség 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 A beton is fokozatosan elveszti szilárdságát 100°C-nál melegebben. A lehűlés során nem nyeri vissza rugalmasságát !!! A magas hőmérsékleten való viselkedés elsősorban a felhasznált adalékanyagoktól függ. 20°C 200°C 400°C 600°C 800°C 1000°C 1 2 3 4 Nyúlás (%)
Az acél és a beton hőtágulása Hőtágulási együttható 1 /°C (x 10-6) Acél Az acél hőtágulása a kristályszerkezet átalaku-lásakor (700–800 °C-on) lelassul 4,5 Normál térfogat- súlyú beton Épületekben a beton álta-lában nem éri el a 700°C-ot 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Könnyűbeton Könnyűbeton esetén állandó hőtágulási együtthatót tételezünk fel 1,0 0,5 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hőmérséklet (°C)
Az acél további anyagjellemzői Hővezetési képesség (W/m°K) 10 20 30 40 50 60 200 400 600 800 1000 1200 Hőmérséklet (°C) Acél Fajhő (J/kg°K) 5000 200 400 600 800 1000 1200 Hőmérséklet (°C) 4000 3000 2000 Acél la=45W/m°K (EC3 szerinti egyszerű számítási modell) ca=600J/kg°K (EC3 szerinti egyszerű számítási modell)
Szerkezetek védelme tűzzel szemben Passzív védelem Táblás/lemezes hőszigetelés Gipszkarton, ásványgyapot, vermikulit. Könnyen alkalmazható, esztétikailag elfogadható. Bonyolultabb kialakítás esetén nem jól alkalmazható Fúvatással felvitt védőréteg Ásványgyapot vagy vermikulit cement kötőanyagban. Felvitele olcsó, de költséges takarítást igényel. Esztétikailag kedvezőtlen; általában csak álmennyezet mögé rejtve alkalmazzák. Duzzadó festékek Rendes üzem közben dekoratív felület. Hő hatására kitágul és hőszigetelő réteget képez Ma már a szerelőüzemben felvihető.
Acélgerendák természetes tűzvédelme Alátámasztó gerenda „Polctartós” gerenda Karcsúfödém gerendája
A tűzállóság megállapítása: stratégiák Az EC szerint a tűzállóság három „viszonylatban” definiálható: Általában csak közvet-lenül hajtható végre, részletes számítási modellel Idő: tfi.d > tfi.requ Kézi számításra is alkalmas. A magas hőmérséklethez tartozó lecsökkent ellenállás meghatározását jelenti Teherbírás: Rfi.d.t > Efi.d.t Hőmérséklet: cr.d > d Leggyakrabban használt eljárás. Az adott teher-hez tartozó kritikus hő-mérséklet meghatározá-sát jelenti
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Építési szabvány tfi.requ
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Építési szabvány tfi.requ
A terhek csökkentő tényezője tűz esetén Az üzemi körülményekhez tartozó tervezési ellenálláshoz képest Egyik lehetőség: Az üzemi körülményezhez tartozó tervezési teherhez képest (nagyobb biztonság és egyszerűbb eljárás) De gyak-rabban:
Az EC3 parciális biztonsági tényezői Tervezés üzemi hőmérsékletre gG = 1,35 Állandó terhekre; gQ.1 = 1,5 Kombinációs tényező; esetleges terhekre Tervezés tűzre gGA = 1,0 Állandó terhekre; rendkívüli tervezési állapot y1.1 = 0,5 Kombinációs tényező; esetleges terhekre, iroda
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Szerkezeti elem km. osztálya Építési szabvány tfi.requ
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Szerkezeti elem km. osztálya Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ
A kihasználtság egy-szerűsített képlete: … a szerkezeti elemre a tűzben működő teher osztva az üzemi hőmérséklethez tartozó ellenállással (t=0), amelyet a tűzhöz tartozó biztonsági tényezőkkel számítunk A kihasználtság egy-szerűsített képlete: akkor használható, ha nem várható kihajlás és kifordulás biztonságos, ha az hfi az üzemi hőmérsékleten érvényes tervezési terhekhez tartozik Acélra az ellenállás biztonsági tényezői: gM1=1,0 gM.fi=1,0
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Szerkezeti elem km. osztálya Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ Kritikus hőmérséklet qcr.d
Acél szerkezeti elemek kritikus hőmérséklete A szabványos melegítési vizsgálat alapján, csak egyszerű szerkezeti elemekre 100 200 300 400 500 600 700 800 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Kihasználtság m0 Kritikus hőmérséklet (°C) 1., 2., 3. oszt. kereszt-metszetek Az 1., 2., 3. osztályú keresztmetszetek kezelése egységes A 4. osztályú keresztmetszetekre biztonságos közelítés (350 °C) 4. o. keresztmetszetek Kritikus hőmérséklet = adott kihasználtságnál a tönkremenetel bekövetkezik
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Keresztmetszeti tényező Am/V Szerkezeti elem km. osztálya Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ Kritikus hőmérséklet qcr.d
Am/V keresztmetszeti tényező: védelem nélküli acél szerkezeti elemek b kerület km. terület tűznek kitett kerület km. terület h 2(b+h) km. terület
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Keresztmetszeti tényező Am/V Szerkezeti elem km. osztálya Iteráció, amíg qd > qcr.d tfi.d Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ Kritikus hőmérséklet qcr.d
A hőmérséklet növekedése a védelem nélküli acélban A hőmérséklet nővekménye Dt idő alatt: Acél hő-mérséklete Acél Hőmérséklet a tűzben A hnet.d hőáram 2 részből áll: Sugárzás: Konvekció:
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer lépései AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Keresztmetszeti tényező Am/V Szerkezeti elem km.osztálya Iteráció, amíg qd > qcr.d tfi.d Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ tfi.d > tfi.requ fennáll ?? Kritikus hőmérséklet qcr.d
Am/V keresztmetszeti tényező: védelemmel ellátott acélelemek b tábla belső kerülete acél km. területe h Acél kerülete 2(b+h) acél km. területe km. terület
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer (védett acél) AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Keresztmetszeti tényező Am/V Szerkezeti elem km. osztálya Iteráció, amíg qd > qcr.d tfi.d Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ Kritikus hőmérséklet qcr.d
A hőmérséklet növekedése a passzív védelemmel ellátott acélban Acél hő-mérséklete Acél Védelem Tűz hőmérséklete Bizonyos mennyiségű hő elraktározódik a védőrétegben. Az acélban és a védőrétegben elraktározódott hő aránya: dp A hőmérséklet növekménye Dt idő alatt:
A tűzállóság megállapítása: a legegyszerűbb módszer (védett acél) AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE Hatás a tűz esetén: Efi.d.t Keresztmetszeti tényező Am/V Szerkezeti elem osztálya Iteráció, amíg qd > qcr.d tfi.d Ellenállás 20°C-on, tűz szerint Rfi.d.20 Kihasználtság m0 Építési szabvány tfi.requ tfi.d > tfi.requ fennáll ?? Kritikus hőmérséklet qcr.d
Mintapélda G = [1,35] ésQ.1 = [1,50] értékekkel: Anyagok: Acélminőség S275 Könnyűbeton (födém) C40 Keretállások 6,0 m Elsődleges gerenda (acél) G +Q k K.1 Felkötőrúd Fiókgerenda (acél) Oszlop (acél vagy együtt-dolgozó) A B C D E F G 5m H 3,5m Karakterisztikus terhek (kN/m2): Állandó Gk = 1,9 Kiemelt esetleges Qk,1= 3,8 Gerendák tervezési terhei (kN/m): G = [1,35] ésQ.1 = [1,50] értékekkel: Állandó Gd= 15,39 Esetleges Qd= 34,2
Húzott elem tervezése üzemi körülményekre Tervezési teher: NSd= 247,95 kN IPE 100 3,5m Alkalmazott: IPE 100 Tervezési ellenállás: Npl.Rd = Anetfy / M0 EC3 1.1. rész (5.4.3. szakasz) = 10,30 x 27,5 / [1,0] = 283,25 kN > 247,95 ... tehát megfelel 247,95 kN
Húzott elem kritikus hőmérséklete Tervezési teher tűz esetén: Nfi.d = fi NSd (2.4.3. szakasz) Kombinációs tényező: 1.1 = 0,5 Gk.1 / Qk = 2,0 (2.1. ábra) Tehercsökkentő tényező: fi = 0,46 Nfi.d = 0,46 x 247,95 = 114 kN Tervezési ellenállás 20°C-on, tűzhöz tartozó bizt.tényezőkkel: (4.2.3.1. szakasz) Nfi.20.Rd = ky.20 NRd (M.1 / M.fi) (3.1. táblázat) Ellenállás-csökkentő tényező ky.20 = 1,0 Nfi.20.Rd =1,0 x 283,25 x ( [1,0] / [1,0] ) = 283,25 kN Kritikus hőmérséklet: Kihasználtság: 0 = Nfi.d / Nfi.20.Rd (4.2.4. szakasz) = 114/283,25 = 0,40 (4.1. táblázat) Kritikus hőmérséklet: c = 619°C 114 kN
Húzott elem tűzállósági ideje Az acél hőmérsékletének növekménye t idő alatt : (EC1 2.2. rész) (2.5.1.) a.t = 1 / (ca a ) Am/V hnet.d t Keresztmetszeti tényező: Am/V = 388,1 m-1 Acél fajhője: ca = 600 J/kg°K Acél sűrűsége: a = 7850 kg/m3 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500 ISO834 Hőm. (°C) Idő (másodperc) Acélelem Teljes hőáram/felület hnet.d az ISO834 szerinti szabványos túzre: Legyen f = 0,8 és m = 0,625. Táblázatkezelővel számolva:t = 5 sec A védelem nélküli acélelem 9 perc 40 mp. alatt éri el kritikus hőmérsékletét.
Húzott elem tűzvédelme 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 3000 4000 ISO834 Csak acél Temp (°C) Idő (mp.) Előírt tűzállóság: 60 perc Vegyük körbe 20 mm gipszkarton lemezzel: Sűrűség rp = 800 kg/m3 Fajhő: cp = 1700 J/kg°K Hőv. képesség: lp = 0,2 W/m°K Km. tényező: Ap/V = 300,97 m-1 20 mm lemezzel Hőmérséklet-növekmény az acélban t idő alatt szabványos tűzre: = (cppdp/caa) Ap/V =1,738 a.t = p/(dpcaa) Ap/V [1/(1+/3)] (g.t-a.t)t - (e/10-1) g.t 60 perc után az acél hőmérséklete: a=613°C (< 619°C krit. hőmérséklet). … Tehát a 20 mm gipszkarton burkolat 60 perc tűzállóságot nyújt.