Bevezetés a tűzteherre való tervezés r e az Eurocode 3 szerint

1

Bevezetés Bevezetés aa tűzteherre tűzteherre való való

tervezéstervezésrre e az Eurocode 3 szerintaz Eurocode 3 szerint

Bevezetés Bevezetés aa tűzteherre tűzteherre való való

tervezéstervezésrre e az Eurocode 3 szerintaz Eurocode 3 szerint

SSEDTA

NFATEC

2

Eurocode:0. Tervezés alapjai1. Szerkezeteket érő hatások2. Beton- vasbeton szerkezetek3. Acélszerkezetek4. Együttdolgozó szerkezetek

SzerkezetiSzerkezeti Eurocode Eurocode-ok-okSzerkezetiSzerkezeti Eurocode Eurocode-ok-ok

5. Faszerkezetek6. Falazott szerkezetek7. Geotechnikai tervezés8. Földrengés9. Aluminium szerkezetek

Tervezés tűzhatásra: 1.2 fejezet mindegyikban

3

Tűzhatásra való tervezés– követelmények tűz eseténTűzhatásra 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.

4

Minimális tűzállósági idő:Minimális tűzállósági idő:brit nemzeti szabványbrit nemzeti szabvány szerint szerintMinimális tűzállósági idő:Minimális tűzállósági idő:brit nemzeti szabványbrit nemzeti szabvány szerint szerint

Földfelszín alatt

> 10 m < 10 m < 5 m < 20 m < 30 m > 30 m

Iroda:

Nincssprinkler

90 60 30 60 90 TILOS

Van sprinkler 60 60 30 30 60 120

Üzlet,kereskedelem:Nincssprinkler

90 60 60 60 90 TILOS

Van sprinkler 60 60 30 60 60 120

Gk. parkoló:

Oldalról nyitott 15 15 15 60

Egyébként 90 60 30 60 90 120

Földfelszín felett

5

A tűzháromszögA tűzháromszögA tűzháromszögA tűzháromszög

Éghető anyag + Oxigén = ÉgéstermékekÉghető anyag + Oxigén = Égéstermékek

CHCH4 4 + O+ O2 2 = CO= CO2 2 + 2H+ 2H2200

A reakció akkor indul be,

amikor az oxigén és az éghető anyag

keveréke már elég meleg

HőHő

OxigénOxigénÉghető anyagÉghető anyag

6

A természetes tűz fázisai A természetes tűz fázisai és a szabványos tűzgörbeés a szabványos tűzgörbeA természetes tűz fázisai A természetes tűz fázisai és a szabványos tűzgörbeés a szabványos tűzgörbe

Hűlés ….

az ISO834 szerinti szabványos tűzgörbe

Izzás, parázslás

Belobbanáselőtti szakasz

Melegedés

Belobbanás utáni szakasz

1000-1200°C

természetes tűzgörbe

Time

Hőmérséklet

Belobbanás

7

Az EC1 (ISO834) szerinti Az EC1 (ISO834) szerinti szabványos tűzgörbeszabványos tűzgörbeAz EC1 (ISO834) szerinti Az EC1 (ISO834) szerinti szabványos tűzgörbeszabványos tűzgörbe

300

100

200

0

400

500

600

700

800

900

1000

0 600 1200 1800 2400 3000 3600Idő (másodperc)

Gázhőmérséklet (°C)

576

675739781842

945

}percben{)18log(34520 tt

8

200

400

600

800

1000

1200

0 1200 2400 3600Idő (másodperc)

Gázhőmérséklet (°C)

Jellegzetes EC1 szerinti paramé-teres tűzgörbe

Külső tűz

Szabványos tűz

Szénhidrogéntűz A tűzállósági idő a szabványos melegítési vizsgálatra vonatkozik – nem a tényleges élettartamra!

Az EC1 szerinti paramet-rikus tűzgörbék a tűzteher és a tűzszakasz jellemzőin alapulnak. Csak számítási modellel használhatók.

AZ EC1 különböző AZ EC1 különböző hőmérséklet–idő görbéihőmérséklet–idő görbéiAZ EC1 különböző AZ EC1 különböző hőmérséklet–idő görbéihőmérséklet–idő görbéi

9

Szerkezeti elemek melegítési vizsgálataSzerkezeti elemek melegítési vizsgálataSzerkezeti elemek melegítési vizsgálataSzerkezeti 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

10

Szabványos melegítési vizsgálatok a Szabványos melegítési vizsgálatok a tűzállóság meghatározásáratűzállóság meghatározásáraSzabványos melegítési vizsgálatok a Szabványos melegítési vizsgálatok a tűzállóság meghatározásáratűzállóság meghatározására

100

200

300

0 1200 2400 3600Idő (másodperc)

Lehajlás (mm)

11

Szabványos melegítési vizsgálatok a Szabványos melegítési vizsgálatok a tűzállóság meghatározásáratűzállóság meghatározásáraSzabványos melegítési vizsgálatok a Szabványos melegítési vizsgálatok a tűzállóság meghatározásáratűzállóság meghatározására

100

200

300

0 1200 2400 3600Idő (másodperc)

Lehajlás (mm)

L2/400d

Ha a sebesség <

L2/9000d

Szabványos tűz

L/30

12

Alakváltozás (%)0.5 1.0 1.5 2.0

Feszültség (N/mm2)

0

300

250

200

150

100

50

20°C

200°C300°C

400°C500°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.

Acélok viselkedése magas hőmérsékletenAcélok viselkedése magas hőmérsékletenAcélok viselkedése magas hőmérsékletenAcélok viselkedése magas hőmérsékleten

13

Feszültség- és alakvál-tozás-csökkentő tényezők a rugalmassági modulus-hoz és a folyáshatárhoz (2%-os egyezményes folyáshatár)

Alakváltozás (%)0.5 1.0 1.5 2.0

Feszültség (N/mm2)

0

300

250

200

150

100

50

20°C

200°C300°C

400°C500°C

600°C

700°C

800°C

600 °C-ra a rugalmassági modulus kb.70%-kal csökken

600 °C-ra a folyáshatár több mint 50%-kal csökken

Az acél feszültség–alakváltozás diagramja Az acél feszültség–alakváltozás diagramja magas hőmérsékletekremagas hőmérsékletekreAz acél feszültség–alakváltozás diagramja Az acél feszültség–alakváltozás diagramja magas hőmérsékletekremagas hőmérsékletekre

14

Rft

Az acél szilárdságának és merevségének Az acél szilárdságának és merevségének leépüléseleépüléseAz acél szilárdságának és merevségének Az acél szilárdságának és merevségének leépüléseleépülése

0 300 600 900 1200

100

80

60

40

20

az eredeti értéke %-ában

Hőmérséklet (°C)

Rft

Egyezményes folyáshatár(2% alakváltozásnál)

SS

Rugalmasságimodulus

SS

• A szilárdság és a merevség csökkenése az S235, S275 és S355 anyagokra, ill. hengerelt acélbetétekre hasonló-an történik (SS)

• A hidegen húzott S500 minőségű acélbetétek jellemzői gyorsabban épülnek le (Rft)

15

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.50.4

0.30.2

0.1

01 2 3 4

1000°C

800°C

20°C

200°C

400°C

600°C

Nyúlás (%)

Normalizált feszültség

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.

Beton feszültség-alakváltozás görbéi Beton feszültség-alakváltozás görbéi magas hőmérsékletenmagas hőmérsékletenBeton feszültség-alakváltozás görbéi Beton feszültség-alakváltozás görbéi magas hőmérsékletenmagas hőmérsékleten

16

Az acél és a beton hőtágulásaAz acél és a beton hőtágulásaAz acél és a beton hőtágulásaAz acél és a beton hőtágulása

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

100 200 300 400 500 600 700 800 900Hőmérséklet (°C)

Hőtágulási együttható

1 /°C (x 10-6)

Acél

• Az acél hőtágulása a kristályszerkezet átalaku-lásakor (700–800 °C-on) lelassul

Normál térfogat-súlyú beton

• Épületekben a beton álta-lában nem éri el a 700°C-ot

Könnyűbeton• Könnyűbeton esetén

állandó hőtágulási együtthatót tételezünk fel

17

a=45W/m°K (EC3 szerinti egyszerű számítási

modell)

Hővezetési képesség (W/m°K)

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200


Acél

ca=600J/kg°K(EC3 szerinti

egyszerű számítási

modell)

Az acél további anyagjellemzőiAz acél további anyagjellemzőiAz acél további anyagjellemzőiAz acél további anyagjellemzői

Fajhő (J/kg°K)

5000

0 200 400 600 800 1000 1200


4000

3000

2000

1000Acél

18

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.

Szerkezetek védelme tűzzel szembenSzerkezetek védelme tűzzel szembenSzerkezetek védelme tűzzel szembenSzerkezetek védelme tűzzel szemben

19

Karcsúfödém gerendája

Alátámasztógerenda

„Polctartós” gerenda

Acélgerendák természetes tűzvédelmeAcélgerendák természetes tűzvédelmeAcélgerendák természetes tűzvédelmeAcélgerendák természetes tűzvédelme

20

A tűzállóság megállapítása: stratégiákA tűzállóság megállapítása: stratégiákA tűzállóság megállapítása: stratégiákA tűzállóság megállapítása: stratégiák

Az EC szerint a tűzállóság Az EC szerint a tűzállóság három „viszonylatban” három „viszonylatban”

definiálható:definiálható:

Idő: tfi.d > tfi.requ

Teherbírás: Rfi.d.t > Efi.d.t

Hőmérséklet: cr.d > d

• Általában csak közvet-lenül hajtható végre, részletes számítási modellel

• Kézi számításra is alkalmas. A magas hőmérséklethez tartozó lecsökkent ellenállás meghatározását jelenti

• Leggyakrabban használt eljárás. Az adott teher-hez tartozó kritikus hő-mérséklet meghatározá-sát jelenti

21

A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: : a legegyszerűbb módszera legegyszerűbb módszer lépései lépéseiA tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: : a legegyszerűbb módszera legegyszerűbb módszer lépései lépései

TŰZÁLLÓSÁG

Építési szabvány

tfi.requ

AZ ACÉL HŐMÉRSÉKLETE

22

A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: : a legegyszerűbb módszera legegyszerűbb módszer lépései lépései A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: : a legegyszerűbb módszera legegyszerűbb módszer lépései lépései

Hatás a tűz esetén: Efi.d.t

TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


23

A terhek csökkentő tényezője tűz eseténA terhek csökkentő tényezője tűz eseténA terhek csökkentő tényezője tűz eseténA terhek csökkentő tényezője tűz esetén

Az üzemi körülményekhez tartozó tervezési ellenálláshoz képest

d

t.d.fifi R

E

Egyik lehetőség:

Az üzemi körülményezhez tartozó tervezési teherhez képest (nagyobb biztonság és egyszerűbb eljárás)

De gyak-De gyak-rabban:rabban:

d

t.d.fifi E

E

1.k1.QkG

1.k1.1kGAfi QG

QG

24

Az EC3 parciális biztonsági tényezőiAz EC3 parciális biztonsági tényezőiAz EC3 parciális biztonsági tényezőiAz EC3 parciális biztonsági tényezői

Tervezés tűzre

GA = 1,0 Állandó terhekre; rendkívüli tervezési állapot

1.1 = 0,5 Kombinációs tényező; esetleges terhekre, iroda

Tervezés üzemi hőmérsékletre

G = 1,35 Állandó terhekre;

Q.1 = 1,5 Kombinációs tényező; esetleges terhekre

25


Szerkezeti elem km. osztálya


TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


26


Kihasználtság

Ellenállás 20°C-on, tűz szerintRfi.d.20



TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


27

A „kihasználtság”A „kihasználtság”A „kihasználtság”A „kihasználtság”

0.d.fi

d.fi0 R

E

…a szerkezeti elemre a tűzben működő teher

osztva az üzemi hőmérséklethez tartozó ellenállással (t=0), amelyet a tűzhöz tartozó biztonsági tényezőkkel számítunk

1M

fi.Mfi0

A kihasználtság egy-A kihasználtság egy-szerűsített képlete:szerűsített képlete:

akkor használható, ha nem várható kihajlás és kifordulás

biztonságos, ha az fi az

üzemi hőmérsékleten érvényes tervezési terhekhez tartozik

Acélra az ellenállás biztonsági tényezői: M1=1,0 M.fi=1,0

28


Kritikus hőmérsékletcr.d

Kihasználtság




TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


29

Acél szerkezeti elemek Acél szerkezeti elemek kkritikus hőmérsékleteritikus hőmérsékleteAcél szerkezeti elemek Acél szerkezeti elemek kkritikus hőmérsékleteritikus hőmérséklete

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Kihasználtság 0

Kritikus hőmérséklet (°C)• A szabványos

melegítési vizsgálat alapján, csak egyszerű szerkezeti elemekre

1., 2., 3. oszt. kereszt-

metszetek

48219674,0

1ln19,39

833,30

cr

• Az 1., 2., 3. osztályú keresztmetszetek kezelése egységes

4. o. keresztmetszetek• A 4. osztályú

keresztmetszetekre biztonságos közelítés (350 °C)

• Kritikus hőmérséklet = adott kihasználtságnál a tönkremenetel bekövetkezik

30


Keresztmetszeti tényező

Am/V


Kihasználtság




TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


31

AAmm/V keresztmetszeti tényező: /V keresztmetszeti tényező:

védelem nélküli acél szerkezeti elemekvédelem nélküli acél szerkezeti elemekAAmm/V keresztmetszeti tényező: /V keresztmetszeti tényező:

védelem nélküli acél szerkezeti elemekvédelem nélküli acél szerkezeti elemek

kerület

km. terület

tűznek kitett kerület

km. terület

h

b

2(b+h)

km. terület

32


Iteráció, amíg

d > cr.d

tfi.d


Am/V


Kihasználtság




TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


33

A hőmérséklet növekedése a védelem A hőmérséklet növekedése a védelem nélküli acélbannélküli acélbanA hőmérséklet növekedése a védelem A hőmérséklet növekedése a védelem nélküli acélbannélküli acélban

thV

A

c

1d.net

m

aat.a

A hőmérséklet nővekménye t idő alatt:

A hnet.d hőáram 2 részből áll:

Sugárzás:

Konvekció:

Acél hő-mérséklete

Acél

Hőmérséklet a tűzben

34

Iteráció, amíg

d > cr.d

tfi.d


tfi.d > tfi.requ

fennáll ??


Am/V


Kihasználtság


Szerkezeti elem km.osztálya


TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


35

AAmm/V keresztmetszeti tényező: /V keresztmetszeti tényező:

védelemmel ellátott acélelemekvédelemmel ellátott acélelemekAAmm/V keresztmetszeti tényező: /V keresztmetszeti tényező:

védelemmel ellátott acélelemekvédelemmel ellátott acélelemek

Acél kerülete

acél km. területe

h

b

2(b+h)

km. terület

tábla belső kerülete

acél km. területe

36

A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: a : a legegyszerűbb módszer (védett acél)legegyszerűbb módszer (védett acél)A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: a : a legegyszerűbb módszer (védett acél)legegyszerűbb módszer (védett acél)

Iteráció, amíg

d > cr.d

tfi.d


Am/V


Kihasználtság




TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


37

A hőmérséklet növekedése a A hőmérséklet növekedése a passzív passzív védelemvédelemmel ellátottmel ellátott acélban acélbanA hőmérséklet növekedése a A hőmérséklet növekedése a passzív passzív védelemvédelemmel ellátottmel ellátott acélban acélban

Acél hő-mérséklete

Acél

Védelem

Tűz hőmérséklete

dp

• Bizonyos mennyiségű hő elraktározódik a védőrétegben.

V

Ad

c

c pp

aa

pp

• Az acélban és a védőrétegben elraktározódott hő aránya:

t.g10/

t.at.gp

aa

ppt.a 1et

3/1

1

V

A

c

d/

• A hőmérséklet növekménye

t idő alatt:

38

Iteráció, amíg

d > cr.d

tfi.d

A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: a : a legegyszerűbb módszer (védett acél)legegyszerűbb módszer (védett acél)A tűzállóság megállapításaA tűzállóság megállapítása: a : a legegyszerűbb módszer (védett acél)legegyszerűbb módszer (védett acél)

tfi.d > tfi.requ

fennáll ??


Am/V


Kihasználtság


Szerkezeti elem osztálya


TŰZÁLLÓSÁG


tfi.requ


39

MintapéldaMintapéldaMintapéldaMintapélda

Anyagok:Acélminőség S275 Könnyűbeton (födém) C40Keretállások 6,0 m

Elsődleges gerenda (acél)G +Qk K.1

Felkötőrúd

Fiókgerenda (acél)

Oszlop (acél vagy együtt-dolgozó)

A B C

D E F

G

G +Qk K.1

G +Qk K.1

G +Qk K.1

G +Qk K.1

G +Qk K.1

G +Qk K.1

5m5m

H

3,5m

3,5m

3,5m

3,5m

Karakterisztikus terhek (kN/m2): Állandó Gk = 1,9Kiemelt esetleges Qk,1= 3,8

Gerendák tervezési terhei (kN/m):

G = [1,35] ésQ.1 = [1,50] értékekkel:

Állandó Gd= 15,39Esetleges Qd= 34,2

40

IPE 100 3,5m

Tervezési teher: NSd= 247,95 kN

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 kN

Alkalmazott: IPE 100

Húzott elem tervezése Húzott elem tervezése üzemi körülményekreüzemi körülményekreHúzott elem tervezése Húzott elem tervezése üzemi körülményekreüzemi körülményekre

> 247,95

... tehát megfelel

41

Húzott elem kritikus hőmérsékleteHúzott elem kritikus hőmérsékleteHúzott elem kritikus hőmérsékleteHúzott elem kritikus hőmérséklete

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 = 1,0Nfi.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

Tervezési teher tűz esetén: Nfi.d = fi NSd

(2.4.3. szakasz) Kombinációs tényező: 1.1 = 0,5Gk.1 / Qk = 2,0

(2.1. ábra) Tehercsökkentő tényező: fi = 0,46Nfi.d = 0,46 x 247,95 = 114 kN

42

Teljes hőáram/felület hnet.d az ISO834 szerinti szabványos túzre:

Legyen f = 0,8 és m = 0,625.

Táblázatkezelővel számolva:t = 5 sec

100

200

300

400

500

600

700

800

0 500 1000 1500

ISO834

Hőm. (°C)

Idő (másodperc)

Húzott elem tűzállósági idejeHúzott elem tűzállósági idejeHúzott elem tűzállósági idejeHúzott elem tűzállósági ideje

A védelem nélküli acélelem 9 perc 40 mp. alatt éri el kritikus hőmérsékletét.

Acélelem

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

43

Húzott elem tűzvédelmeHúzott elem tűzvédelmeHúzott elem tűzvédelmeHúzott elem tűzvédelme

Előírt tűzállóság: 60 perc

Vegyük körbe 20 mm gipszkarton lemezzel:

Sűrűség p = 800 kg/m3

Fajhő: cp = 1700 J/kg°K

Hőv. képesség: p = 0,2 W/m°KKm. tényező: Ap/V = 300,97 m-1

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).

20 mm lemezzel

100200300400500600700800900

1000

0 1000 2000 3000 4000

ISO834

Csak acél

Temp (°C)

Idő (mp.)

… Tehát a 20 mm gipszkarton burkolat 60 perc tűzállóságot nyújt.

Documents

Bevezetés a tűzteherre való tervezés r e az Eurocode 3 szerint