Tűzhatás modellezése tartószerkezetekre

8/18/2019 Tűzhatás modellezése tartószerkezetekre

1/11

TŰZHATÁS MODELLEZÉSE ÉS TŰZÁLLÓSÁGIKÖVETELMÉNYEK, FA TARTÓSZERKEZETŰ ÉPÜLETEK

TERVEZÉSÉHEZ

1. A tűz alapvető tulajdonságai

A tűz kialakulásához három összetevő szükséges:

- éghető anyag,

- oxidáló közeg,

- gyulladási hőmérséklet.

Az égés során bonyolult fizikai és kémiai reakciók játszódnak le, melyek során az éghető anyagból felszabaduló gázok és gőzök atomjai kémiai kötést alkotnak az oxidáló közeg (pl.levegő) oxigénjével.

Az éghet ő anyag lehet szilárd, folyékony, vagy gáz halmazállapotú. A szilárd és a folyékonyanyagoknak az égés létrejöttéhez annyira fel kell melegedniük, hogy gőzöket és gázokat

bocsássanak ki, melyek eléghetnek. Általában maga a szilárd, ill. folyékony anyagközvetlenül nem tud égni (pl. a benzin sem folyékony halmazállapotában ég, hanem azelpárolgó benzingőz gyullad meg). Az éghető anyagok felület/tömeg aránya jelentősen

befolyásolja az égési sebességet. Alacsony felület/tömeg aránnyal rendelkező (kompakt)anyagok nehezebben gyulladnak meg, mint a magas arányúak

Az oxidáló közeg jellemzően a levegő oxigén tartalma (21 V%), mely elegendő a lángolóégés kialakulásához. Ha ez az érték 14-16 V% alá csökken, akkor nincs elegendő oxigén alángoló égés fenntartásához. Ez azonban csak 20°C körüli hőmérsékleten igaz, a hőmérsékletnövekedésével a szükséges oxigén koncentráció csökken. A lineáris összefüggést az alábbimutatja.

Lángoló égés

lehetséges

Lángoló égésnem jön létre

Lángoló égéshez szükséges oxigénkoncentráci


2/11

Az égés hatékonyságát befolyásolja az égető anyag és az oxidáló közeg aránya. Van egyoptimális arány, melynek esetén az égés maximális hatékonyságú, de a valós tüzek eseténvagy az egyik, vagy a másik összetevő túlsúlyban van. Ha az éghető anyagból van több, akkoraz égés szell ő zés-szabályozott , míg ha az oxidáló közeg (levegő) van túlsúlyban, akkor azégés éghet ő anyag-szabályozott . Kamratüzek esetén általában az elő bbi, szabadtéri tüzek

esetén pedig az utóbbi áll fent.Ha az éghető anyag és a szükséges oxigénkoncentráció is jelen van, akkor megfelelően magashő elérése esetén megtörténik a gyulladás. Ezt nevezzük gyulladási hő mérséklet nek.

Az égés folyamata addig marad fenn, amíg valamelyik szükséges összetevő meg nem szűnikakár természetes úton, akár beavatkozás miatt.

Egy valós tűz alapvetően a következő szakaszok ra bontható:

Az első szakasz a kezd ő d ő t ű z szakasza. Ebben a szakaszban a lángok még csak egy adotthelyen találhatók, a tűz éghetőanyag-szabályozott. Forró gázoszlop emelkedik fel, és ha

vízszintes elem (pl. mennyezet) kerül az útjába, akkor a hőáramlás (konvekció) és a lánghatásmiatt a tűz felfelé és oldalirányban is terjedni fog.

Természetes t ű z szakaszai

A következő szakaszban, a szabadon égés szakaszá ban a tűz hővezetéssel, hőáramlással éshősugárzással terjed. Az éghető anyagok hőmérséklete a gyulladási hőmérsékletük föléemelkedik, és a tűz tovább terjed. A helyiségben felszálló gázok és a füst a mennyezetiszakaszban összegyűlnek, és hőt kezdenek sugározni lefelé. Amikor ez a felső réteg eléri agyulladási hőmérsékletet, bekövetkezik az átfordulás, és a tűz szétterjed a mennyezetiszakaszon. A hőmérséklet növekedése felgyorsul, és a lefelé sugárzó hő másodlagos tüzeketokozhat. A tűz továbbra is éghetőanyag-szabályzott. Ez az utolsó lehetőség az aktívtűzvédelem (pl. sprinklerek) sikeres alkalmazására, mert ez után a pont után a tűz hatására

használhatatlanná válnak!


3/11

A harmadik szakasz a belobbanás. Ekkor a helyiségben lévő anyagok egyszerre begyulladnak(mintegy 600 °C körül), majd a hőmérséklet maximálisra emelkedik. Ha az ablakok nemtörnek ki, a tűz az adott helyiségre korlátozódik, és szellőzés-szabályozottá válik.

Az utolsó fázis a lehű lési szakasz, amikor az éghető anyag lassan elfogy, a tűz kialszik, és az

anyagok megemelkedett hő

mérséklete visszacsökken a környezetük hő

mérsékletére.Előfordul azonban olyan eset, amikor a belobbanást követően a megemelkedő hőmérsékletmiatt kitörnek az ablakok, esetleg valaki kinyitja a helyiség valamely nyílászáróját. Ilyenkor atűz hirtelen oxigén-többletet kap, melynek hatására fokozottan megnő az intenzitása.

Hagyományos és modern t ű zgörbe

Az anyagoknak azt a tulajdonságát, hogy milyen sebességgel képesek elégni, a hőkibocsátásiarány, vagyis az RHR (rate of heat release) fejezi ki. Az RHR nagymértékben befolyásolja agázhőmérséklet alakulását, mert nem mindegy, hogy egy adott energiamennyiséget mennyiidő alatt ad le az égő anyag. Az energia-felszabadulás sebessége befolyásolja azt is, hogyéghetőanyag-szabályozott vagy szellőzés-szabályozott lesz-e az égés. Ahogy az alábbi ábránis látható, a különböző anyagok RHR görbéje széles skálán mozoghat.


4/11

Jellemző RHR görbék

2. Tűzhatás modellezésének számítási módszerei

Az EN 1991-1-2 szerint a tűzhatás modellezését két f ő csoportra oszthatjuk: a névlegeshőmérséklet-idő görbékre és a természetes tűzmodellekre. A f ő bb csoportokon belül az alábbimodelltípusok szerint számolhatunk:

Névleges hőmérséklet-idő görbék :

- szabványos hőmérséklet-idő görbe

- külső tűzgörbe

- szénhidrogén tűzgörbe

Természetes tűzmodellek:

- egyszer ű sített tűzmodellek:

· lokalizált tűz (Heskestadt, Hasemi)

· teljesen kifejlett tűz (parametrikustűz)

-

fejlett tűzmodellek:

· egyzónás modell

· kétzónás modell

· CFD modell


5/11

Névleges hő mérséklet-id ő görbék

Az EN 1991-1-2 és az ISO 834 szerinti szabványos hő mérséklet-id ő görbe a következő képlet szerint adja meg a hőmérséklet alakulását az idő függvényében:

A képlet szerinti görbe nem veszi figyelembe a belobbanás előtti szakaszt, utána alogaritmikus függvény szigorúan monoton növekvő, tehát nincs lehűlési szakasz. Az adottidőhöz tartozó hőmérséklet érték az egész helyiségre vonatkozik, a mérettől ésszellőzöttségtől függetlenül. Az ISO 834 szerinti tűzgörbét az alábbi ábra mutatja.

ISO 834 t ű zgörbe

Külső t ű zgörbét külső elválasztó falak esetében alkalmazunk, abban az esetben, ha átterjedheta tűz a homlokzat különböző részeir ől. A szénhidrogének égése általában a szokványosnálnagyobb hőfejlődéssel jár, ezért ahol nagy mennyiséget tárolnak belőlük valamilyenformában, szénhidrogén t ű zgörbét kell alkalmazni.

Névleges hő mérséklet-id ő görbék

A természetes tűzgörbék sokkal pontosabban közelítik a valós tűzhatások viselkedését, mint a

névleges hőmérséklet-idő görbék, azonban az alkalmazásuk is jóval bonyolultabb.


6/11

Figyelembe kell venni a vizsgálni kívánt helyiség következő adottságait:

- helység méretei,

-

rendeltetése,

- nyílások méretei,

- határoló szerkezetek anyaga és vastagsága,

- aktív tűzvédelmi berendezések hatása.

Magyarországon a jelenleg érvényben lévő Eurocode szabvány az ISO 834 szerinti tűzgörbétalkalmazza, egyes nemzeti szabványok azonban természetes tűzgörbéken alapuló számításieljárásokat használnak. A szabványos és természetes tűzgörbék közötti különbségeketszemlélteti az ábra.

Természetes t ű zmodellek

Az egyszer ű sített t ű zmodellek meghatározott fizikai paramétereken alapulnak, és csakkorlátozott feltételek mellett alkalmazhatóak. A lokalizált t ű zmodell t a belobbanás előtti, míga teljesen kifejlett t ű z modell t a belobbanás utáni tűz esetében alkalmazhatjuk. Azegyszer űsített modellek alkalmazásához először meg kell határoznunk a helyiségre (ill.tűzszakaszra) jellemző fajlagos tűzterhet.

A fajlagos tűzterhelés az építmény, épület adott tűzszakaszában, helyiségében jelenlévő és beépített anyagok tömegéből [kg] és f űtőértékéből [MJ/kg] számított hőmennyiség

egységnyi padlófelületre vonatkoztatott értéke [MJ/m2

]

Szabványos és természetes t ű zgörbe összehasonlítása

A fajlagos t ű zterhelés képlete:

ahol: M K ,i – az i-edik éghető anyag mennyisége [kg]

H u,i – az i-edik éghető anyag névleges f űtőértéke [MJ/kg]


7/11

A fajlagos t ű zterhelés karakterisztikus értéke egységnyi padlófelületre vonatkoztatva:

ahol:

A – a tűzszakasz vagy referenciatér padlófelülete [m]

A fajlagos t ű zterhelés tervezési értéke:

ahol:

m – az égési tényező, a helyiség rendeltetésének és a tűz típusának függvénye (f őkéntcellulóz tartalmú anyagoknál m = 0,8)

δq1 – a helyiség méretétől függő kockázati tényező

δq2 – a helyiség rendeltetésétől függő kockázati tényező – a különböző aktív tűzvédelmi berendezéseket figyelembe vevő tényező

A fajlagos tűzterhelés tervezési értékéből kiszámítható a lokális t ű z (az EN 1991-1-2 Cmelléklete alapján), és a teljesen kifejlett t ű z is (az EN 1991-1-2 A melléklete alapján).

Lokalizált t ű z (balra) és teljesen kifejlett t ű z (jobbra)

Lokális t ű z esetén a Heskestadt vagy a Hasemi módszer alapján számolhatunk. A Heskestadt módszert akkor alkalmazzuk, amikor a láng nem csapódik a mennyezetnek, vagyis L f < H ,ahol L f a láng hossza, H pedig a tűz alapja és a mennyezet közötti távolság méterben. A

Hasemi módszert a tűz feletti vízszintes elemek vizsgálatához lehet használni abban azesetben, amikor a láng már a mennyezetnek csapódik, tehát L f ≥ H .

Teljesen kifejlett t ű z esetén parametrikus t ű zgörbét kell alkalmaznunk. Ez a tűzgörbe csak alegfontosabb fizikai paramétereket veszi figyelembe, és csak az alábbi megkötésekkelhasználni:

- a helyiség maximális padlómérete 500 m2,

- tetőnyílások nem vehetők figyelembe,

- maximális kamrabelmagasság 4 m,

-

a teljes helyiségben egyenletes a hőmérséklet eloszlás.

δn


8/11

A fejlett t ű zmodellek egyik típusát a zóna modellek alkotják. A zóna modellek alapelve,hogy egy adott zónán belül a hőmérsékletet állandónak feltételezzük. A zónákon belülérvényes az anyag- és energia-megmaradás elve. Mivel ezek a modellek nem csak a levegő

hőmérsékletér ől szolgáltatnak információkat, hanem a falak, ill. a mennyezet hőmérsékletér őlis, ezért az építőmérnöki feladatok során a szerkezetek méretezésében fontos szerepet játszanak. Emellett figyelembe veszik a különböző nyílások hatását, és kiszámítják a rajtukkiáramló gázok mennyiségét, vagy akár a sebességét is. Ehhez természetesen meg kell adnunka falak és a mennyezet szerkezetének fizikai paramétereit illetve a zónák geometriai adatait,

beleértve a nyílásméreteket is.

Kétzónás t ű zmodell, zónahatár változása

A zóna modellek közül a kétzónás modellt a tűz kezdeti szakaszában alkalmazzuk, vagyis a belobbanás előtt, amikor a felső rétegben elhelyezkedő forró füstgázok egy melegebb zónát,

míg az alsó régiókban lévő

légtömegek egy hidegebb zónát képviselnek. Az egyszer ű

sítettmodellek közül ebben az esetben alkalmazzuk a lokalizált tűz modelleket. A két zóna közöttihőcserét légáramlási modellel biztosítjuk. Fontos adat lehet még a réteghatár idő beni változás,vagyis az egyes zónák vastagsága. Ennek azért van jelentősége, mert tűz esetén az emberek azalsó, hidegebb, füstgázoktól mentes zónában képesek csak menekülni, hiszen a felső réteg alégzést és a látási viszonyokat is er ősen korlátozza.

Egyzónás t ű zmodell

Egyzónás modell t abban az esetben alkalmazunk, ha a belobbanás már megtörtént, vagyis haa teljesen kifejlett tűz esete áll fenn. Ekkor (a parametrikus tűzhöz hasonlóan) a teljeshelyiségben egyenletes gázhőmérséklet eloszlást feltételezhetünk.

A kétzónás és egyzónás modellek egymást követő figyelembe vételével kombinált modellt isalkalmazhatunk, mely a belobbanás előtt kétzónás, azután pedig egyzónás modellt használ.


9/11

A CFD modell (Computational Fluid Dynamic) numerikus módszerrel oldja meg a parciálisdifferenciálegyenleteket, és minden szempontból figyelembe veszi a fülke paramétereit,valamint a termodinamikai és aerodinamikai változókat is. A térbeli modell pontosan

meghatározza a folyadékáramlást (ill. gázáramlást), és a hő

közlést a hozzá tartozó nyomássalegyütt. Hátránya, hogy bonyolult a modellalkotás, a modellt hitelesíteni is kell valóskísérletek alapján, és nagy a számítógépes er őforrás igénye. Előnye, hogy a tér bármely

pontjában meghatározhatjuk az anyagok tulajdonságait, és térbeli képet kaphatunk a tűzviselkedésér ől, a teljes időtartam alatt.

CFD modell

3. Fa tartószerkezetű épületek tűzállósági követelményei

Magyarországon az Eurocode szabvány életbe lépésével a tűzvédelemre vonatkozó jogszabályokat is módosítani kellett, hogy összhangban legyenek a szabvány előírásaival. AzEC-t megelőző MSZ szabvánnyal egy idő ben a 2/2002 (I.23) BM ( Belügyminisztérium)

rendelet volt érvényben, azonban ezt felváltotta a 9/2008 (II.22) ÖM (Önkormányzati Minisztérium) rendelet. Az Eurocode tűzvédelemmel kapcsolatos legfontosabb szabványai akövetkezők:

- MSZ EN ISO 13943: Tűzbiztonság szótár – tűzvédelmi fogalmak angol, német,francia és magyar nyelven

- MSZ EN 13501-1: Osztályba sorolás a tűzveszélyességi vizsgálatok eredményeinekfelhasználásával

- MSZ EN 13501-2: Osztályba sorolás a tűzállósági vizsgálatok eredményeinekfelhasználásával


10/11

Az új szabályozásban számos változtatás lelhető fel, melyeknek a faszerkezetekszempontjából is fontos vonatkozásai vannak.

2/2002 (I.23) BM rendelet MSZ EN 13501-1 Jelölés Leírás Jelölés Leírás

A1(nem

éghet ő )

Éghető anyagot nemtartalmazó, a szabványoségetési vizsgálat során„nem éghető” minősítésű anyag, szerkezet.

A1A 2/2002 (I.23) szerintiszabályozással gyakorlatilagmegegyezik, pl. beton, k ő.

Nem éghető

A2(nem

éghet ő )

Éghető anyagot istartalmazó, de a szabványoségetési vizsgálat során„nem éghető” minősítésű anyag, szerkezet.

A2

A 2/2002 (I.23) szerintiszabályozással nagyrészt meg-egyezik, pl. ásványgyapot,gipszkarton.

B1(nehezenéghet ő )

Azok az építési anyagok,

melyek az MSZ 14800/3szabvány szerint „nehezenéghetőnek” minősülnek.

B

Szervesanyag-tartalom megha-tározással, lángterjedési para-méterek alapján minősítik (a„nehezen éghető” alcsoportnakleginkább megfelelő), pl. egyesgipszkartonok, égéskésleltetésselellátott fa.

CHasonlóan a B-hez, de más paraméterekkel, kritériumokkal, pl. PIR hab hőszigetelések.

B2(közepesen

éghet ő )

Azok az építési anyagok,melyek az MSZ 14800/4szabvány szerint„közepesen éghetőnek”minősülnek. D

Hasonlóan a B-hez, de SBI +lángterjedési paraméterekvizsgálata, pl. természetes állapotúkiszáradt fa, fa alapanyagú panelek.

ECsak lángterjedési paraméterekvizsgálata (a „könnyen éghető”csoportnak leginkább megfelelő), pl. néhány szintetikus polimer.

Éghető

B3(könnyenéghet ő )

Azok az építési anyagok,melyek az MSZ 14800/4szabvány szerint nemminősülnek „közepesenéghetőnek”. F

Amennyiben nem ismerjük azanyag tűzvédelmi paramétereit(csak alárendelt helyen beépíthető anyagok, természetesépítőanyagok egy része).

T ű zvédelmi osztályok összehasonlítása

A megfelelő tűzvédelmi osztályba való besoroláshoz különböző tűzvizsgálati eljárásokat kellelvégezni a vonatkozó szabvány előírásai szerint. A vizsgálatok az alábbi négy típusbasorolhatók:

- Nem éghetőségi teszt (EN ISO 1182): célja olyan anyagok meghatározása, amelyeknem, vagy nem szignifikáns módon reagálnak a tűzre, tekintet nélkülvégfelhasználásukra.

- Hőtermelési képesség vizsgálata (EN ISO 1716): meghatározza a lehetségesmaximális hőfejlődést a termék maradéktalan elégése során, tekintet nélkül annakvégső felhasználására.

- SBI (Single Burning Item: egy ég ő tárgy) vizsgálat (EN 13823): A termék viselkedését

elemzi egy égő tárgy segítségével egy szoba sarkában, közel a vizsgálandó tárgyhoz.


11/11

- Gyújthatósági vizsgálat (EN ISO 11925-2): a vizsgálat egyszeri, pontszer ű lángalkalmazásakor határozza meg a termék gyújthatóságát.

Az új rendeletben jelentős eltérést mutat az épületszerkezetek tűzállósági teljesítményénekvizsgálata is. Az MSZ 14800-1 (korábbi szabvány) szerint három követelményt

különböztettünk meg: teherbírási-, lángáttörési- és hő

szigetelési határállapotra lehetetttűzállósági követelményt megadni. Az említett három jellemzőre egy t ű zállósági határértéket (jele: TH) határozhattunk meg órában mérve. Ezzel szemben az új OTSZ rendeletben az MSZEN szabványhoz idomulva részletes követelményeket lehet állítani a következő jellemzőkrevonatkozólag:

- R – teherhordó képesség

- E – integritás

- I – szigetelés

-

W – sugárzás- M – mechanikai hatás

- C – önzáródás

- S – füstáteresztés

- G – „koromtűz”-zel szembeni ellenállás

- P, PH – üzemképesség megtartása

- K – tűzvédő képesség

Az egyes jellemzőkre külön-külön és együtt is adhatunk meg tűzállósági határértéket percbenkifejezve. Például az „R60 EI30” követelmény azt jelenti, hogy a teherhordó képességnek a60 perces követelményt kell teljesítenie, míg az integritási és szigetelési követelménynek elég30 percig megfelelnie a szerkezeti elemnek. A leggyakrabban előírt (legáltalánosabb)követelmények az R, E és I jellemzőre vonatkoznak, ezért jelentésüket pár szóbanismertetjük:

- R – Teherhordó képesség: a szerkezeti elemnek az a jellemző je, mely megmutatja,hogy az adott elem egy- vagy több oldali tűzhatással egyidejűleg fennálló mechanikaiigénybevételnek az előírt időtartamig a szerkezet teherbírásának elvesztése nélkül

ellenáll.

- E – Integritás: az épület egy szerkezeti elemének azon képessége, hogy elválasztófunkcióját betöltve az egyik oldalon tűznek kitéve ellenáll az előírt időtartamig alángok és az égéstermékek másik oldalra való átterjedése nélkül.

- I – Szigetelés: az épület egy szerkezeti elemének azon tulajdonsága, hogy az egyikoldalon tűznek kitéve ellenáll a tűzhatásnak anélkül, hogy jelentős hőátadáskövetkezne be a „mentett oldal” irányában, pontosabba az átlaghőmérséklet nemhaladhatja meg a 140 °C-ot, valamint a maximum hőmérséklet nem emelkedhet 180°C fölé.

Teherhordó szerkezeteknél általában csak az R kritériumot, míg vázkitöltő elemek eseténaz E, I kritériumot szokták előírni.

Documents

Tűzhatás modellezése tartószerkezetekre