Projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe jako podstawa bezpieczeństwa ludzi i mienia w czasie pożaru obiektu budowlanego

Transkrypt

1 Buownictwo i Architektura 15(3) (2016) Projektowanie konstrukcji buowlanych z uwagi na warunki pożarowe jako postawa bezpieczeństwa luzi i mienia w czasie pożaru obiektu buowlanego Katera Konstrukcji Buowlanych, Wyział Buownictwa i Architektury, Politechnika Lubelska, e mail: a.halicka@pollub.pl Streszczenie: W artykule przestawiono istotę i postawy meto projektowania konstrukcji buowlanych z uwagi na warunki pożarowe. Wskazano na wpływ temperatur pożarowych na powstanie oatkowych oziaływań oraz na zmiany parametrów materiałowych przekroju. Zwrócono uwagę na specyfikę zachowania się konstrukcji żelbetowych, murowych, stalowych i rewnianych w warunkach pożaru. Słowa kluczowe: pożar, pożar obliczeniowy, klasy oporności ogniowej, bezpieczeństwo pożarowe. 1. Wprowazenie Bezpieczeństwo konstrukcji po wzglęem pożarowym jest jenym z wymagań postawowych, które należy spełnić projektując, wykonując i użytkując obiekt buowlany [1]. Wymaganie to obejmuje zapewnienie nośności konstrukcji w czasie pożaru przez założony okres, ograniczenie powstawania i rozprzestrzeniania się ognia i ymu, ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia na sąsienie obiekty, zapewnienie mieszkańcom możliwości opuszczenia obiektu lub uratowania w inny sposób oraz zapewnienie bezpieczeństwa ratownikom. W celu spełnienia wyżej wymienionych wymagań, na etapie projektowania stosowane jest wiele rozwiązań zarówno architektonicznych (poział buynku na strefy pożarowe czy projektowanie elementów buynku z materiałów spełniających wymaganiach określone zgonie z klasyfikacją po wzglęem palności), jak i instalacyjnych (instalacje tryskaczowe, systemy oymiania, systemy alarmowe). Nie można jenak mówić o bezpieczeństwie obiektu buowlanego w czasie pożaru bez spełnienia stanów granicznych nośności konstrukcji w sytuacji wyjątkowej pożaru. Te stany graniczne winny być spełnione przez konstrukcję i jej elementy przez określony czas trwania pożaru, wynikający z wymaganej la anego obiektu klasy oporności ogniowej elementów (np. 30 min la klasy R30, 60 min la klasy R60, it). Celem niniejszego artykułu jest zestawienie przesłanek i głównych zasa projektowania konstrukcji żelbetowych, murowych, rewnianych i stalowych z uwagi na warunki pożarowe, wynikających z norm europejskich.

2 22 2. Zasay obliczeń konstrukcji z uwagi na nośność w czasie pożaru 2.1. Oziaływanie termiczne Stan atmosfery w buynku poczas pożaru, szczególnie temperatura, jest różny w różnych strefach pożarowych buynku, a nawet w obrębie tej samej strefy. Jest także zmienny w czasie. Symulacje rozkłaów temperatury można uzyskać za pomocą zaawansowanych programów komputerowych, które pozwalają na ustalenie wartości temperatur w otoczeniu analizowanych elementów konstrukcji. W praktycznym projektowaniu la ustalenia oziaływań termicznych stosowane są krzywe temperatura-czas. Są to albo normowe tzw. stanarowe krzywe, opisane funkcją zależności temperatury i czasu, niezależną o warunków panujących w konkretnej strefie pożarowej, albo krzywe ustalone na postawie symulacji komputerowych uwzglęniających warunki panujące w anej strefie pożarowej, w szczególności parametry fizyczne atmosfery. Temperatury powierzchni elementów konstrukcyjnych można przyjmować jako równe temperaturom otoczenia elementu. Norma Euroko [2] pozwala na wykonywanie obliczeń w założeniu stałej temperatury w czasie trwania pożaru i przyjęcie, że jej wartości są równe maksymalnym temperaturom wynikającym z krzywych temperatura-czas. Na postawie temperatury powierzchni elementów ustalić można rozkła temperatury w przekroju elementów, a następnie pośrenie oziaływania mechaniczne. Na rys. 1 przestawiono schematycznie kolejne etapy obliczeń pozwalające na ustalenie pośrenich oziaływań termicznych. Rys. 1. Etapy obliczenia pośrenich oziaływań mechanicznych (sił wewnętrznych) wynikających z oziaływań termicznych w czasie pożaru

3 Projektowanie konstrukcji buowlanych z uwagi na warunki pożarowe Metoy zapewnienia nośności elementów konstrukcyjnych w czasie pożaru Zapewnienie określonej oporności ogniowej elementu w czasie pożaru w ziezinie nośności rozumiane jest jako zapewnienie, że element ma wystarczającą nośność, aby nie uległ zniszczeniu po wpływem oziaływania termicznego, którego wartość ustalona jest w analizach wstępnych (patrz rys.1). Z kolei zapewnienie oporności ogniowej w ziezinie czasu oznacza, że element nie ulegnie zniszczeniu, jeśli oziaływanie to bęzie przyłożone przez określony czas. Oporność ogniową zarówno w ziezinie nośności jak i czasu zapewnić można w wojaki sposób: przez wykonanie baań w specjalistycznym laboratorium otyczy to głównie elementów prefabrykowanych, przez obliczeniowe spełnienie stanu granicznego nośności zgonie z normą Euroko opowienią la anego rozaju konstrukcji: konstrukcje z betonu - EC2-1-2 [3], konstrukcje stalowe EC3-1-2 [4], konstrukcje rewniane EC5-1-2 [5], konstrukcje murowe EC6-1-2 [6] Stan graniczny nośności w sytuacji pożaru Stan graniczny nośności w sytuacji pożarowej zgonie z normą Euroko [2] można zapisać następująco: E R, (1) fi,, t fi,, t gzie: E fi,, t obliczeniowa wartość efektu oziaływań (moment zginający, siła poprzeczna, siła połużna) w czasie pożaru po czasie t, R fi,, t obliczeniowa wartość nośności elementu w oniesieniu o analizowanego efektu oziaływań w czasie pożaru po czasie t. Ponieważ Euroko [2] pozwala uznawać oziaływania termiczne w czasie pożaru jako stałe i równe ich maksymalnym wartościom (patrz p.2.1), E fi,, t const E fi, oraz Rfi,, t const Rfi,, a nierówność (1) przy sprawzaniu stanów granicznych bezpieczeństwa konstrukcji w czasie pożaru przyjmuje postać: E R. (2) fi, fi, Skutki oziaływań termicznych wioczne są po obywu stronach warunku (2): zarówno po stronie prawej - obciążenia jak i lewej nośność (rys.2). Sytuacja pożaru jest obliczeniowo uznawana za sytuację wyjątkową, a efekty oziaływań w czasie pożaru E fi, są inne niż w sytuacjach stałych (kombinacja obciążeń wyjątkowa w miejsce postawowej ). Skłaają się na nie: oziaływania mechaniczne obciążenia stałe Gk, j, siła sprężająca i zmienne (wioące) o wartości ψfiq k,1, mechaniczne oziaływania wyjątkowe A,m np. uerzenia sprzętu gaśniczego lub też uerzenia spaających fragmentów konstrukcji i wyposażenia buynku, pośrenie oziaływania mechaniczne A,t powstające na skutek obciążeń termicznych (w przypaku analizy elementu konstrukcyjnego są to momenty zginające j1

4 24 wynikające z różnicy temperatur pomięzy powierzchnią nagrzaną i nienagrzaną elementu, zaś w przypaku analizy całej konstrukcji obok tych momentów uwzglęnić trzeba także wpływ rozszerzalności termicznej i ustalić siły wewnętrzne wywołane wyłużeniem termicznym elementów przy ograniczeniu ich swoboy okształceń i wyłużeniem elementów sąsiaujących oraz wpływ temperatury na sztywność elementów). Rys. 2. Przyczyny zniszczenia konstrukcji lub jej elementów w czasie pożaru Ostatecznie efekty oziaływań w czasie pożaru E fi, można zapisać jako: Efi, f Gk, j P A, m A, t fiqk,1 (3) j1 Stosując uproszczenie opuszczone normą Euroko uzyskuje się: fi, fi, m, t E E P f A A (4) E f G q wartość efektu oziaływań w sytuacji stałej, fi współczynnik reukcyjny, który może być przyjmowany jako równy: 0.7 la konstrukcji z betonu, 0.6 la konstrukcji z rewna, wyjątek kategoria obciążenia E (powierzchnie magazynowe i przemysłowe) la której fi = 0,7, 0.65 la konstrukcji murowych, wyjątek kategoria obciążenia E, la której fi = 0,7, 0.65 la konstrukcji stalowych, wyjątek kategoria obciążenia E, la której fi = 0,7. gzie: G, j k, j Q,1 0,1 k,1 j1 a)

5 Projektowanie konstrukcji buowlanych z uwagi na warunki pożarowe b) Rys. 3. Oziaływania termiczne: a) efekt nierównomiernego ogrzania belki, b) efekt wyłużalności elementów po wpływem równomiernego wzrostu temperatury Poczas pożaru zmienia się również prawa strona nierówności (2). Po wpływem temperatury maleje wytrzymałość materiału, z którego wykonana jest konstrukcja oraz jego mouł sprężystości. W przypaku niektórych materiałów uznaje się, że przekroczenie tzw. temperatury krytycznej eliminuje wykonany z niego element lub jego część ze współpracy w przenoszeniu obciążeń. W takich sytuacjach należy sprawzić oporność ogniową w ziezinie temperatury : Θ Θ (5) cr, gzie: obliczeniowa wartość temperatury elementu lub jego fragmentu, cr, obliczeniowa wartość temperatury krytycznej; jest ona równa 500 o C la stali zbrojeniowej, 400 o C la prętów sprężających, 350 o C la rutów i splotów sprężających 300 o C la rewna, natomiast la stali profilowej w konstrukcjach stalowych obliczana jest w zależności o jest w zależności o wskaźnika wykorzystania nośności 0 w czasie t = 0. Aby zapewnić temperaturę niższą niż krytyczna, należy zastosować otulinę zbrojenia o opowieniej grubości lub okłaziny konstrukcji. 3. Metoy projektowania konstrukcji na warunki pożarowe 3.1. Informacje ogólne Wpływ temperatur pożarowych na stateczność konstrukcji zależy o zachowania się materiału, z którego konstrukcję wykonano oraz o cech geometrycznych elementów konstrukcyjnych i zastosowanych zabezpieczeń przeciwpożarowych. Metoy obliczeniowe pozielić można na metoy zaawansowane bęące zaawansowanymi symulacjami komputerowymi zachowania się konstrukcji w warunkach pożaru z uwzglęnieniem jego przebiegu w czasie oraz na metoy uproszczone. Metoy uproszczone bazują na założeniu, że część przekroju (muru, betonu i stali zbrojeniowej, rewna) zegraowana po wpływem wysokiej temperatury nie jest uwzglęniana jako nośna, a o nośności przekroju ecyuje jeynie pozostała, niezegrao-

6 26 wana część przekroju. Wyjątkowo, w przypaku konstrukcji rewnianych zalecany normowo jest sposób obliczeń zakłaający brak moyfikacji parametrów wytrzymałości rewna w części niezegraowanej, ale za to zwiększający zasięg strefy zegraowanej o grubość warstwy przejściowej. Parametry wytrzymałościowe części niezegraowanej zależne są o temperatury. Dlatego też niezbęna jest znajomość rozkłau temperatur w przekroju i takie rozkłay poawane są w normach [3, 5, 6] la różnych przekrojów poanych pożarom stanarowym przez 30, 60, 90, 120 lub 240 minut. W przypaku konstrukcji rewnianych i stalowych profil temperatury zależy o tego, czy konstrukcja jest zabezpieczona warstwą farby pęczniejącej, tynku czy innych okłazin. W konstrukcjach rewnianych elementy zabezpieczające zmniejszają szybkość zwęglania rewna oraz zasięgu strefy zwęglonej (po zniszczeniu warstwy zabezpieczającej). W normach zamieszczono też tablice, opracowane na postawie meto uproszczonych, pozwalające na proste przyjmowanie wielkości geometrycznych zapewniających osiągnięcie zakłaanej oporności ogniowej elementów [3, 6]. W przypaku konstrukcji żelbetowych są to minimalne wymiary przekroju (ściany, płyty, belki słupa) oraz minimalne grubości otuliny, w przypaku ścian murowanych minimalne grubości ściany. W przypaku konstrukcji stalowych oszacowanie ogniooporności bęzie najbarziej wiarygone, jeśli w analizie zostanie uwzglęnione jej rzeczywiste zachowanie. Aby otrzymać wiarygoną ocenę poszukiwanej oporności należy ążyć więc o całościowego ujmowania konstrukcji, tylko w ten sposób można uwzglęnić wzajemne oziaływanie poszczególnych elementów ustroju w czasie pożaru. Możliwe jest to tylko przy zastosowaniu zaawansowanych meto. Proste moele obliczeniowe otyczą jeynie pojeynczych elementów, myślowo wyizolowanych z konstrukcji i nie uwzglęniają zmian poatności popór ograniczających te elementy Reystrybucja sił wewnętrznych w czasie pożaru w konstrukcji Jeśli w warunkach pożarowych zachozi istotna reukcja sztywności elementu lub jego części, prowazi to o reystrybucji sił wewnętrznych. Ma to miejsce w konstrukcjach żelbetowych po zarysowaniu przekroju oraz w konstrukcjach stalowych Reystrybucja w belkach żelbetowych Reystrybucja momentów w belkach i płytach ciągłych zachozić może, gy pożar pojawia się o olnej strony belki lub płyty. Wzrost temperatury w wyniku takiego pożaru powouje spaek granicy plastyczności prętów zbrojenia olnego oraz zmniejszenie wytrzymałości betonu, lub nawet wyłączenie zegraowanej części przekroju. W efekcie nośność przekrojów przęsłowych spaa. Reystrybucja momentów (zwiększenie momentów poporowych) jest możliwa po warunkiem, że zolność o obrotu na poporach jest wystarczająca, a w szczególności gy zastosowano wystarczający przekrój zbrojenia poporowego. Przyjmuje się, że wartości momentów poporowych po reystrybucji mają spełniać warunki równowagi w każym przęśle, a ich śrenia wartość jest różnicą mięzy maksymalnym momentem przęsłowym po równomiernym obciążeniem obliczeniowym w czasie we, fileff pożaru ( M E, fi ), a zreukowaną w wyniku pożaru nośnością przekroju przęsłowego. 8

7 Projektowanie konstrukcji buowlanych z uwagi na warunki pożarowe Reystrybucja sił wewnętrznych w czasie pożaru w konstrukcjach stalowych Opowieź konstrukcji stalowych narażonych na ziałanie temperatur pożarowych w użym stopniu zależy o zachowania węzłów łączących poszczególne elementy konstrukcyjne ustroju nośnego. Za ilustrację służyć może stalowa rama przestawiona na rys.4. Poczas wstępnej fazy ogrzewania, na skutek ograniczenia swoboy inukowanych termicznie okształceń generowana jest w ryglu ściskająca siła osiowa (rys.4a). Wartość tej siły zależy o poatności węzłów ograniczających rygiel. Jeżeli jest znaczna, może prowazić o zniszczenia węzłów, co zostało zasugerowane jako przyczyna katastrofy jenej z wież Worl Trae Center [7]. W miarę wzrostu temperatury maleje sztywność giętna rygla przekłaając się na coraz szybszy przyrost jego ugięcia. Z kolei narastające ugięcie sprawia, że rygiel zaczyna ściągać ograniczające go popory o wnętrza ramy, wskutek czego w ryglu pojawia się siła rozciągająca (rys.4b). Im wartość ugięcia jest większa, tym większa jest również wartość siły rozciągającej. W przypaku opowienio użej wartości ugięcia rozciąganie zaczyna przeważać na ściskaniem. Z uwagi na to, że sztywność giętna jest już wtey na tyle mała, rygiel nie ma możliwości przeniesienia momentów zginających. Tak więc rozgrzany rygiel pracuje jak poprzecznie obciążone wiotkie cięgno [8], [9]. Takie zachowanie ramowych konstrukcji stalowych obserwowane było w realnych pożarach, a także poczas baań konstrukcji ramowych przeprowazonych w pełnej skali [11]. a) b) Rys. 4. Zachowanie stalowego rygla w pożarze weług [10] (opis w tekście): a) rygiel poany ściskaniu we wstępnej fazie ogrzewania, b) rygiel poany rozciąganiu na skutek przyrostu ugięcia 5. Posumowanie Zapewnienie bezpieczeństwa pożarowego obiektów buowlanych wymaga szczegółowej analizy nie tylko zachowania się w pożarze zastosowanych materiałów buowlanych, ale wymaga także analiz zachowania się konstrukcji. Zachowanie to zależy z jenej strony o stopnia wytężenia elementów (z uwzglęnieniem zachozącej w czasie pożaru reystrybucji sił wewnętrznych) i cech materiałowych z rugiej strony.

8 28 Literatura [1] Ustawa Prawo buowlane z nia (Dz.U nr 89 poz. 414), z późn. zmianami tekst ujenolicony (Dz.U poz. 290). [2] PN-EN :2004 Euroko 1: Oziaływania na konstrukcje Część 1-2: Oziaływania ogólne. Oziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru. [3] EN 1992 Eurocoe 2: Projektowanie konstrukcji z betonu Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [4] EN 1993 Eurocoe 3: Projektowanie konstrukcji stalowych Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [5] EN 1995 Eurocoe 5 Projektowanie konstrukcji rewnianych Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [6] EN 1996 Eurocoe 6: Projektowanie konstrukcji m,urowych Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [7] NIST Prevention of Progressive Collapse: Report on July 2002 National Workshop an Recommenations for Future Efforts, Multi Hazar Mitigation Council of NIST: Washington,DC, [8] Yin Y.Z., Wang Y.C. Analysis of catenary action in steel beams using a simplifie han calculation metho. Part 1: Theory an valiation for uniform temperature istribution. Journal of Constructional Steel Research, 61, [9] Maślak M., Snela M. Reystrybucja siły połużnej w stalowym ryglu o narastającej w pożarze zolności o wyłużenia. Czasopismo Inżynierii Ląowej, Śroowiska i Architektury (Journal of Civil Engineering, Environment an Architecture) XXX (60) (2/13) (2013) [10] Chen L.. Robustness in fire of steel frame structures with realistic connections. PhD Thesis, Sheffiel: University of Manchester, [11] Kirby BR. The behaviour of a multi-storey steel frame builing subject to fire attack experimental ata. Unite Kingom: British Steel Swinon Technology Centre; Designing of builing structures for fire conitions as a basis of people an estate uring fire of builing Anna Halicka, Małgorzata Snela, Marek Grabias, Jerzy Szerafin Builing Structure Unit, Civil Engineering an Architecture Faculty, Lublin University of Technology, e mail: a.halicka@pollub.pl Abstract: In the paper the ieas an basics of methos for esigning of builing structures uner the fire conitions are presente. The influence of fire temperatures on the occurrence of aitional actions on the one han an the changes in material parameters on the other han is mentione. The attention is pai to specific behaviour of concrete, masonry, timber an steel structures in fire. Keywors: fire, esign fire, classes of fire resistance, fire safety.