Částečná požární ochrana ocelových konstrukcí – část 2: Experimenty, numerické modely a srovnání

1. Úvod

Tento článek navazuje na Část 1: Shrnutí teoretických poznatků. Úvod a teorie k tomuto článku je vysvětlena v minulé části. V této části je zabýváno experimenty a tvorbou numerických modelů s navazující parametrickou studií.

2. Experiment

Obr. 1 Geometrie vzorku

Cílem experimentu bylo získat údaje pro ověření numerického modelu. Experiment se skládal ze čtyř vzorků oceli, které byly podrobeny standardní teplotní křivce po dobu 60 min. Zkouška byla provedena v malé požární zkušební peci na UCEEB ČVUT [1]. Vzorky měly rozměry 300×60×8 mm. Polovina délky vzorku byla ze tří stran ošetřena požárním nástřikem. Tloušťka nástřiku byla 10 mm u dvou vzorků (vzorek 3 a 4) a 20 mm u dalších dvou vzorků (vzorek 1 a 2). Tloušťky ochrany byly zvoleny na základě použitelnosti technologie, kdy tolerance při vytváření ochranného povrchu odrážela různé výsledné tloušťky ochrany. Přední strana vzorku byla rovněž ošetřena nástřikem. Na každém vzorku byly na chráněné i nechráněné části umístěny plášťové termočlánky. Geometrie vzorků je znázorněna na obr. 1.

Následně byly všechny vzorky ponechány zrát při 20 °C po dobu 28 dnů. Na dva vzorky bylo přiloženo pět termočlánků a na další dva vzorky byly přiloženy pouze dva krajní termočlánky, jak je znázorněno na obr. 5. Termočlánky byly vyvedeny z pece otvory ve stropní konstrukci a poté byly připojeny k záznamovému zařízení.

Doba trvání experimentu byla 60 min. Na konci experimentu byl hořák vypnut a měření dat pokračovalo dalších 15 min. V průběhu pokusu, v době 35 min, poklesl tlak v plynových lahvích a výkon hořáku byl snížen z důvodu nedostatku plynu. Připravené vzorky jsou znázorněny na obr. 2 a vzorky po experimentu jsou znázorněny na obr. 3.

Obr. 2 Připravené vzorky před experimentem

Obr. 3 Vzorky po experimentu

3. Teploty při experimentu

Srovnání průměrné teploty v horní části pece se standardní teplotní křivkou je uvedeno na obr. 4. Během zkoušky vykazovaly termočlánky č. 9 a č. 13 velké rozdíly v naměřených teplotách, takže jejich hodnoty nebyly použity pro ověření numerického modelu. při porovnání všech výsledků vykazovaly vzorky se stejnou tloušťkou ochrany podobné naměřené hodnoty. Vzorky s různou tloušťkou ochrany vykazovaly rozdíly teplot až 100 °C na chráněné části. Naměřené teploty jsou uvedeny na obr. 5 až obr. 8.

Obr. 4 Teplota podle standardní teplotní křivky požáru a teploty pece při experimentu

Obr. 5 Vzorek 1 – teploty oceli

Obr. 6 Vzorek 3 – teploty oceli

Obr. 7 Vzorek 2 – teploty oceli

Obr. 8 Vzorek 4 – teploty oceli

4. Parametrická analýza

Numerické modely vyvinuté na základě experimentu publikoval Šejna [2], kdy shrnul použité vstupní údaje, vliv výpočetní sítě a představil důsledky na model. V následujících částech jsou uvedeny výsledky více než padesáti simulací z parametrické studie, v nichž se mění hlavní proměnné a zkoumá se jejich vliv na výslednou teplotu v místě spojení nosníku a sloupu. Výsledná teplota je brána jako průměrná teplota mezi teplotou spodní a horní příruby a teplotou na stojině nosníku. Při simulaci se předpokládá, že spojení nosníku a sloupu je provedeno svary; tyto svary jsou při simulaci zanedbány.

Prvním parametrem je změna délky požární ochrany. Vliv změny délky požární ochrany se zkoumá na nosníku IPE 400 s konstantní tloušťkou požární ochrany 30 mm. Výsledné teploty modelu se sloupem jsou znázorněny na obr. 9. z porovnání vypočtených teplot vyplývá, že vliv neohřívaného sloupu na výslednou teplotu v místě připojení je významný. Tento zjednodušující vliv obsažený v modelu však nemá vliv na ostatní zkoumané parametry a jejich trendy.

Obr. 9 Teploty ve středu čela sloupu, tloušťka požární ochrany 30 mm a délka L = 100, 200, 400, 7000 mm, materiálové vlastnosti povlakové krytiny podle tabulky 1, nosník IPE 400, sloup HEB 200

Druhým parametrem je tloušťka požární ochrany; pro tento účel je vytvořen modelový případ s IPE 200 s délkou požární ochrany 400 mm a tloušťkou od 10 do 30 mm. Výsledky jsou uvedeny na obr. 10. S rostoucí tloušťkou požární ochrany klesá teplota v místě připojení. Rozdíl mezi nejmenší a největší testovanou tloušťkou je 121 °C. Během parametrických studií byl také zkoumán vliv profilu nosníku, který se pohybuje od IPE 180 do IPE 270. Vliv profilu nosníku se pohybuje od IPE 180 do IPE 270. Všechny průřezy mají stejnou tloušťku a délku požární ochrany. Z teplotních průběhů lze vypozorovat, že čím menší je průřez, tím nižší je teplota dosažená během simulace. Například rozdíl mezi průřezem IPE 180 a IPE 270 je 150 °C. U nosníku IPE 200 s požární délkou 300 mm a tloušťkou 10 mm byl zkoumán vliv průřezu sloupu, kdy byl uvažován průřez od HEB 200 do HEB 280. Vliv průřezu sloupu na požární ochranu byl zkoumán v závislosti na teplotě. Například rozdíl teplot mezi HEB 200 a HEB 280 je 50 °C.

Obr. 10 Teplota oceli v čele sloupu během ohřevu, tloušťka požární ochrany d = 10; 15, 25 a 30 a délka 500 mm, materiálové vlastnosti zpětného nátěru podle tabulky 1, nosník IPE 200, sloup HEB 200, délka požární ochrany 500 mm

5. Požadovaná délka částečné požární ochrany

Pro možný návrh požadované délky částečné požární ochrany byl použit analytický přístup, který byl porovnán s numerickým řešením [2]. Nedílným cílem bylo ověřit přesnost obecně přijímaného tvrzení o délce požární ochrany 500 mm. Výsledné použití numerického modelu má dvě fáze; v prvním kroku se použije rovnice (1) a podle ní se stanoví požadovaná délka požární ochrany pro požadovanou odolnost 120 min, během níž nesmí průměrná teplota prvku v místě připojení překročit 500 °C. V druhém kroku se určí požadovaná délka požární ochrany pro požadovanou odolnost 120 min. ve druhém kroku se určí teploty pro modelový případ nosníku s různou délkou požární ochrany. Analytický model vychází z předpokladů publikovaných v [3]. Teplota prvku v čase 0 je 20 °C. Teplota při požáru se určí podle rovnice (2).

(1)

Porovnáním výsledků analytického modelu s numerickými experimenty byly sledovány délky požární ochrany od 100 mm do 700 mm. Analytický model uvažuje s použitím ideální tloušťky požární ochrany pomocí součinitele průřezu Am/V. Simulace byly porovnány s tloušťkami nástřiku podle rozměrových tabulek pro PROMASPRAY® P300 a PROMASPRAY® F250 [4], [5]. Při simulaci byla použita tloušťka nástřiku odpovídající požární odolnosti 120 min pro profil IPE 400 zatížený ze tří stran požárem podle rovnice (2). Výsledky jednotlivých simulací jsou uvedeny v tab. 1.

(2)

Tab. 1 ukazuje, že oba modely mají částečnou vzdálenost požární ochrany až 400 mm, což odpovídá PROMASPRAY® F250. Pro větší ochranné vzdálenosti se tloušťka dodatečně zvyšuje. Je třeba vzít v úvahu, že původní rovnice (1) pracuje s návrhovou teplotou, na kterou je požární ochrana navržena. Pro ochrannou vzdálenost 700 mm je tedy nutné použít dimenzační tabulky pro teplotu 200 °C. Při ověření požadavku dílčí dimenzační tabulky požární ochrany na 70 mm vychází teplota v numerickém modelu 208 °C, což potvrzuje analytickou metodu.

Pro konečné ověření požadované délky dílčí požární ochrany byly provedeny dvě hlavní studie. První studie zkoumala vliv tloušťky částečné požární ochrany na vývoj teploty. Pro první studii byl zvolen profil nosníku IPE 220, profil sloupu HEB 300 a délka ochrany 500 mm. Numerický model byl zkoumán pro dobu trvání požáru 120 min. Vývoj teploty ocelového profilu podél délky částečné požární ochrany je znázorněn na obr. 11, obr. 12 a obr. 13.

Obr. 11 Teplota oceli podél nosníku od čela sloupu za 15 min, tloušťka požární ochrany d = 10; 20 a 30 mm a délka 500 mm, materiálové vlastnosti povlakové krytiny podle tabulky 1, nosník IPE 220, sloup HEB 300, teploty v čase 15 min

Obr. 12 Vývoj teplot při požární ochraně při změně tloušťky d_p částečné požární ochrany, nosník IPE 220, sloup HEB 300, délka požární ochrany 500 mm, teploty v čase 30 min

Obr. 13 Vývoj teplot při požární ochraně při změně tloušťky d_p částečné požární ochrany, nosník IPE 220, sloup HEB 300, délka požární ochrany 500 mm, teploty v čase 60 min

Ve druhé studii byl ověřován vliv ochranného povlaku o délce 500 mm a tloušťce 30 mm na různé průřezy IPE vystavené požáru ze tří stran po dobu 120 minut. Průběh teploty plynu působícího na nosník v modelu využívající metodu konečných prvků se řídí rovnicí (2). Výsledné hodnoty pro jednotlivé průřezy jsou shrnuty v tab. 2.

Při navrhování částečné požární ochrany je nutné zohlednit nejen průřez chráněného prvku, ale i další proměnné. Plně chráněný prvek, ke kterému je částečně chráněný prvek připojen, hraje důležitou roli ve výsledné délce požární ochrany. Na základě provedených simulací lze předpokládat, že čím větší je chráněný prvek, tím více tepla dodá do místa připojení při vystavení požáru. Do návrhu je také nutné zahrnout předpokládané strany konstrukce, které jsou vystaveny požáru. Konstrukce prezentovaná ze tří stran má jiné hodnoty než stejná konstrukce prezentovaná ze čtyř stran. Velmi důležitý je typ požární ochrany, zejména její tloušťka. Pokud je tloušťka ochrany navržena špatně, konstrukce se přehřeje dříve, než je zaručeno u správně navržené délky. Při návrhu délky částečné požární ochrany je nutné zahrnout požadovanou dobu požární odolnosti. Porovnání navržených délek požární ochrany pro 15, 30 a 60 min je uvedeno v tab. 3. Přetlak je opět zatížen požárem ze tří stran. Tloušťka ochrany je zvolena podle tabulek dimenzování charakteristik nástřiku [5] pro 15, 30 a 60 min.

6. Závěr

Vedení tepla při částečné požární ochraně bylo zkoumáno experimentálně. Čtyři ocelové vzorky chráněné částečnými povlaky byly vystaveny požáru po dobu 60 min. Dva vzorky měly tloušťku ochrany 10 mm a další dva vzorky měly tloušťku ochrany 20 mm. Průběh teploty plynu v experimentální peci byl obdobný s nominální teplotní křivkou při požáru po dobu až 35 min.

Empirické a analytické vztahy pro teplotu ocelových prutů při částečné požární ochraně byly shrnuty, validovány a ověřeny validovaným modelem metodou konečných prvků [2]. Studie citlivosti se zaměřila na vliv tloušťky a délky částečné požární ochrany pro různé průřezy ocelových prutů. Výsledky jsou pro evropské válcované průřezy prezentovány v grafech a tabulkách.

Práce dokládá, že obě tradiční řešení, požárně chránit na výšku nosníků (Velká Británie) nebo na 500 mm (Německo), jsou konzervativní a spolehlivá. Autoři doporučují kombinaci: požární ochranu 500 mm a pro vyšší nosníky na výšku nosníku.

7. Literatura

1. ŠEJNA, J. Small Furnace Experiments for Wood Burning Pyrolysis Models. Civil Engineering Research Journal. 2021, 12(3). ISSN 25758950. https://doi.org/10.19080/CERJ.2021.12.555838
2. ŠEJNA, J. & kol. The partial fire protection of steel members: a comparative study. Journal of Structural Fire Engineering. 2023. ISSN 2040-2317. https://doi.org/10.1108/JSFE-01-2023-0001
3. YASSERI, S. F. Coat-Back Length: In Passive Fire Protection of Offshore Installations. 21^st International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Volume 2. ASMEDC, 2002, 621-627. ISBN 0-7918-3612-6.
   https://doi.org/10.1115/OMAE2002-28537
4. WALD, F. & kol. On Bolted Connection with Intumescent Coatings. In: Proceedings of the Fourth International Workshop Structures in Fire. Aveiro: University of Aveiro, s. 371-377. ISBN 972-789-190-X.
5. BREUNESE, A. A Simple Method for Calculation of Coat Back Lengths. PROMAT. 2019, 2019, 1-9.

Poděkování

Tento výsledek byl realizován za finanční podpory z prostředků grantu ČVUT SGS22/141/OHK1/3T/11 „Bezpečnost a udržitelnost dřevěných a ocelových konstrukcí vystavených požáru“.