Tartószerkezet-rekonstrukciós Szakmérnöki Képzés. BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék

Átírás

1 1 Tüzek Kulcsár Béla Tartószerkezetek tűzvédelme 1. előadás BME Tartószerkezet-rekonstrukciós szakmérnök képzés márc. 1. Tüzek előfordulása Természeti okok: villám, öngyulladás Egyéb többségük építményekhez köthető Ismeretlen B., Műszaki-technológiai okok: elektromos áram, szikra építési hiba (pl. kéménytűz) technológiai hiba (ipari üzemben) tüzelő-fűtő berendezés hőátadás, súrlódás robbanás 1A Bevezetés Tüzek okai Emberi tevékenység: gyújtogatás (ön- és idegenkezű) óvatlan dohányzás nyílt láng használata, főzés, szabadban tüzelés gyermeki tevékenység Egy építményben bárhol keletkezhet tűz 50% USA: 29 % USA: 6 % USA: 23 % USA: 6 % B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 1

2 Építmények tüzeinek okai Tűz kockázata - emberi élet Ált. berendezési tárgyak, vagy raktározott anyagok gyulladnak ki (tűz keletkezési helye: lokális tűzfészek) ritkán gyulladnak pl. szerkezeti elemek közvetlenül (falak, oszlopok, gerendák) Átterjed-e a tűz az építmény más részeire? épülethatároló és szerkezeti elemek tűzállósága valamint az épület kialakítása határozza meg, átterjed-e a tűz a teljes építményre / ipari komplexumra Főbb meghatározó tényezők: emberi / üzemi használati szokások építmény műszaki kialakítása Tűz kockázata? Tűz kockázata és jogi értékelése B., Tényleges kockázat: személyi sérülés vagy elhalálozás (PB-gázrobbanások eseteit kivéve): füstmérgezés (85%)/ égési sérülés (15%) anyagi / vagyoni kár Jogi eszközök célja: élet- és vagyonbiztonság emberek tűz esetén az építményből elmenekülhessenek / menthetők legyenek az épületek egy bizonyos ideig álljanak a tűzben (menekülés és oltás) lakások kiemelt védelme az építéskor (létesítéskor) kockázattudatos optimum (nem a tűzvédelmi intézkedések maximalizálása) Optimum megfogalmazása - jogi előírások: Országos Tűzvédelmi Szabályzat (OTSZ), 28/2011. (IX.9.) BM-rendelet Országos Településrendezési és Építési Követelmények (OTÉK) 253/1997. (XII.20.) kormányrendelettel kiadva (és többször módosítva) Haláleset (fő Tűz okozta elhalálozás Izland Svájc Németország Ausztria Nagy-Britannia Franciaország Csehország Kanada Svédország Bulgária Szlovénia Japán Lengyelország USA Finnország Magyarország Szerbia Moldova Ukrajna Litvánia Lettország Észtország Oroszország Halott/év/millió fő EU-ban a tolerált elhalálozás: 5-15 fő / év / 1 millió fő a közlekedési balesetben való elhalálozás esetén a társadalom ingerküszöbe ennek az 5-10-szerese (azt jobban elfogadják az emberek)!!! Tűzvédelem és a tartószerkezetek B., Megelőző tűzvédelem - engedélyezési terv egy fejezete: Tűzvédelmi műszaki leírás dokumentáció annak bizonyítására, hogy az épület tűzbiztonsága a jogszabályokban (és szabványokban) foglalt minimumnak megfelel főbb munkarészei (címszavakban): épület rendeltetése, szintszáma, tűzveszélyessége szerkezetek tűzállósága (füstgátlása) Jelen tárgy tartószerkezetek (tervezett) tűzállósága tűzvédelmi egységekre bontás, tűzszakaszok témája tűzterhelés, oltóvíz, tűzoltó berendezések, hő- és füstelvezetés kiürítés, tűzjelzés, tűzoltási felvonulási út Mentő tűzvédelem - oltás a tűzeset során: tartószerkezetek (valós) tűzállósága az összedőlés lefolyása (ha bekövetkezik) B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 2

3 Problémák Mi a tűz? Hogyan jellemezhetők / írhatók le a tüzek a tartószerkezeti viselkedés szempontjából? Hogy viselkedik egy tartószerkezet tűzhatás idején? Milyen követelményeket kell teljesítenie azalatt? Miért? Hogyan számítható a teherbírása tűzhatás esetén? Hogy lehet kompetens párbeszédet folytatni a tűzvédelmi tervezők, építészek és statikusok közt? Tematika és ütemterv B., Tüzek. Égés fizikai-kémiai alapjai. Tüzek lefolyása és modellezése Tűzterhelés és hőfelszabadulás. Épületek és műtárgyak tartó-szerkezetei tűzhatás alatt. Főbb szerkezeti anyagok és tartószerkezetek tűzvédelmi osztályai. 11:00-13:10 Tartószerkezetek tűzállósági teljesítmény-jellemzői. Tűzvédelmi szabályozások lehetséges tartószerkezeti koncepciói. A hazai és külföldi tűzvédelmi szabályozások tartószerkezeti koncepciói és követelményei. OKF-eltérési engedélyek lehetséges tartószerkezeti koncepciói. Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC3), konstruálás, szerkezeti rendszerek. Trapézlemezek, szendvicspanelek tűzállósági kísérletei (labor- és 1:1 vizsgálatok) Vasbeton szerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyagok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC2), konstruálás, szerkezeti rendszerek Faszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag / szerkezeti elemek / kapcsolatok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC5), konstruálás, szerkezeti rendszerek Összetett szerkezetek tűzvédelmi konstruálási kérdései. Statikus és tűzvédelmi tervező együttműködése. ATF - FTP (esettanulmányok tűzoltás és kárelhárítás) Tűzkármentesítés, tűzeseti diagnosztika és rekonstrukció Tűzeseti kémia égéselmélet, ismétlés. Korom, műanyagok égéstermékei, Élet- és omlásveszély-elhárítás, dúcolási elvek/módszerek. Hulladékkezelési alapelvek. Tűz nyomait szenvedett tartószerkezetek tisztítási módszerei. Szárítás. Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek és anyagaik speciális diagnosztikája Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek rekonstrukciós elvei B Tárgy ismertetése Tematika és ütemterv B., Tüzek. Égés fizikai-kémiai alapjai. Tüzek lefolyása és modellezése Tűzterhelés és hőfelszabadulás. Épületek és műtárgyak tartó-szerkezetei tűzhatás alatt. Főbb szerkezeti anyagok és tartószerkezetek tűzvédelmi osztályai. 11:00-13:10 Tartószerkezetek tűzállósági teljesítmény-jellemzői. Tűzvédelmi szabályozások lehetséges tartószerkezeti koncepciói. A hazai és külföldi tűzvédelmi szabályozások tartószerkezeti koncepciói és követelményei. OKF-eltérési engedélyek lehetséges tartószerkezeti koncepciói. Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC3), konstruálás, szerkezeti rendszerek. Trapézlemezek, szendvicspanelek tűzállósági kísérletei (labor- és 1:1 vizsgálatok) Vasbeton szerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyagok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC2), konstruálás, szerkezeti rendszerek Faszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag / szerkezeti elemek / kapcsolatok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC5), konstruálás, szerkezeti rendszerek Összetett szerkezetek tűzvédelmi konstruálási kérdései. Statikus és tűzvédelmi tervező együttműködése (esettanulmányok tűzoltás és kárelhárítás) Tűzkármentesítés, tűzeseti diagnosztika és rekonstrukció Tűzeseti kémia égéselmélet, ismétlés. Korom, műanyagok égéstermékei, Élet- és omlásveszély-elhárítás, dúcolási elvek/módszerek. Hulladékkezelési alapelvek. Tűz nyomait szenvedett tartószerkezetek tisztítási módszerei. Szárítás. Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek és anyagaik speciális diagnosztikája Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek rekonstrukciós elvei. B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 3

4 Tematika és ütemterv Tematika és ütemterv Tüzek. Égés fizikai-kémiai alapjai. Tüzek lefolyása és modellezése Tűzterhelés és hőfelszabadulás. Épületek és műtárgyak tartó-szerkezetei tűzhatás alatt. Főbb szerkezeti anyagok és tartószerkezetek tűzvédelmi osztályai. 11:00-13:10 Tartószerkezetek tűzállósági teljesítmény-jellemzői. Tűzvédelmi szabályozások lehetséges tartószerkezeti koncepciói. A hazai és külföldi tűzvédelmi szabályozások tartószerkezeti koncepciói és követelményei. OKF-eltérési engedélyek lehetséges tartószerkezeti koncepciói. Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC3), konstruálás, szerkezeti rendszerek. Trapézlemezek, szendvicspanelek tűzállósági kísérletei (labor- és 1:1 vizsgálatok) Vasbeton szerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyagok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC2), konstruálás, szerkezeti rendszerek Faszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag / szerkezeti elemek / kapcsolatok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC5), konstruálás, szerkezeti rendszerek Összetett szerkezetek tűzvédelmi konstruálási kérdései. Statikus és tűzvédelmi tervező együttműködése (esettanulmányok tűzoltás és kárelhárítás) Tűzkármentesítés, tűzeseti diagnosztika és rekonstrukció Tűzeseti kémia égéselmélet, ismétlés. Korom, műanyagok égéstermékei, Élet- és omlásveszély-elhárítás, dúcolási elvek/módszerek. Hulladékkezelési alapelvek. Tűz nyomait szenvedett tartószerkezetek tisztítási módszerei. Szárítás. Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek és anyagaik speciális diagnosztikája Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek rekonstrukciós elvei. Tematika és ütemterv B., Tüzek. Égés fizikai-kémiai alapjai. Tüzek lefolyása és modellezése Tűzterhelés és hőfelszabadulás. Épületek és műtárgyak tartó-szerkezetei tűzhatás alatt. Főbb szerkezeti anyagok és tartószerkezetek tűzvédelmi osztályai. 11:00-13:10 Tartószerkezetek tűzállósági teljesítmény-jellemzői. Tűzvédelmi szabályozások lehetséges tartószerkezeti koncepciói. A hazai és külföldi tűzvédelmi szabályozások tartószerkezeti koncepciói és követelményei. OKF-eltérési engedélyek lehetséges tartószerkezeti koncepciói. Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC3), konstruálás, szerkezeti rendszerek. Trapézlemezek, szendvicspanelek tűzállósági kísérletei (labor- és 1:1 vizsgálatok) Vasbeton szerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyagok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC2), konstruálás, szerkezeti rendszerek Faszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag / szerkezeti elemek / kapcsolatok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC5), konstruálás, szerkezeti rendszerek Összetett szerkezetek tűzvédelmi konstruálási kérdései. Statikus és tűzvédelmi tervező együttműködése (esettanulmányok tűzoltás és kárelhárítás) Tűzkármentesítés, tűzeseti diagnosztika és rekonstrukció Tűzeseti kémia égéselmélet, ismétlés. Korom, műanyagok égéstermékei, Élet- és omlásveszély-elhárítás, dúcolási elvek/módszerek. Hulladékkezelési alapelvek. Tűz nyomait szenvedett tartószerkezetek tisztítási módszerei. Szárítás. Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek és anyagaik speciális diagnosztikája Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek rekonstrukciós elvei. B., Tüzek. Égés fizikai-kémiai alapjai. Tüzek lefolyása és modellezése Tűzterhelés és hőfelszabadulás. Épületek és műtárgyak tartó-szerkezetei tűzhatás alatt. Főbb szerkezeti anyagok és tartószerkezetek tűzvédelmi osztályai. 11:00-13:10 Tartószerkezetek tűzállósági teljesítmény-jellemzői. Tűzvédelmi szabályozások lehetséges tartószerkezeti koncepciói. A hazai és külföldi tűzvédelmi szabályozások tartószerkezeti koncepciói és követelményei. OKF-eltérési engedélyek lehetséges tartószerkezeti koncepciói. Acélszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC3), konstruálás, szerkezeti rendszerek. Trapézlemezek, szendvicspanelek tűzállósági kísérletei (labor- és 1:1 vizsgálatok) Vasbeton szerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyagok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC2), konstruálás, szerkezeti rendszerek Faszerkezetek tűzvédelmi tervezése. Az anyag / szerkezeti elemek / kapcsolatok viselkedése magas hőmérsékleten. Számítás (EC5), konstruálás, szerkezeti rendszerek Összetett szerkezetek tűzvédelmi konstruálási kérdései. Statikus és tűzvédelmi tervező együttműködése (esettanulmányok tűzoltás és kárelhárítás) Tűzkármentesítés, tűzeseti diagnosztika és rekonstrukció Tűzeseti kémia égéselmélet, ismétlés. Korom, műanyagok égéstermékei, Élet- és omlásveszély-elhárítás, dúcolási elvek/módszerek. Hulladékkezelési alapelvek. Tűz nyomait szenvedett tartószerkezetek tisztítási módszerei. Szárítás. Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek és anyagaik speciális diagnosztikája Tűzkárt szenvedett tartószerkezetek rekonstrukciós elvei. 1C Tüzek kémiája áttekintés B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 4

5 Tűz és égés Égés feltételei Égés (termodinamika): Egy anyag gyors egyesülése oxigénnel vagy más oxidáló szerrel, hőfeljődés és fényjelenség kíséretében. Exoterm reakció, láng / izzás ill. füst kísérheti. Tűz egy definíciója (DIN 14011): Nem rendeltetésszerű égés, mely szabályozatlanul továbbterjedhet. Tűz egy másik definíciója (ISO IEC Glossary): égési folyamat, melyet füst és/vagy láng által kísért hőkibocsátás jelez, és oly gyors égés, amely időben és térben szabályozatlanul terjed. Égés Mi az égés? Mik a feltételei? Hogy jön létre a láng? Folyamatos, önnfenntartó égés: [ J s] Q& keletkezet t Q& veszteség / B., vizes fával képtelenség begyújtani, amíg a vizet szárítással el nem vittük - a gyújtási energia fa nedvességének elpárologtatására fordítódik - a párolgás közbeni hőelvonást a gyújtóforrás nem kompenzálja Égés feltételei (3): egy időben és térben éghető anyag - bármely halmazállapotban - gyakorlati tűzesetek: szerves anyagok (fa, papír, textília, műanyag) égést tápláló oxigén (ált. CC V%) - csak az oxigénben való égést tárgyaljuk hő (reakció aktiválási energiája) - megfelelő gyújtóforrás - gyulladási hőmérséklet (öngyulladás) Bármelyik hiányzik a fentiekből nem jön létre / megszűnik az égés megszűnik a tartószerkezetek hőterhelése Égés B., Termokémia: a kémiai reakciók hőeffektusaival foglalkozik Égéshő A fölös oxigénben való tökéletes elégéskor szabaddá váló hőmennyiség. Egysége vegyületekénél [MJ/mol] ill. keverékeknél [MJ/kg] Fűtőérték ( égéshő) Az a hő, ami akkor szabadul fel, ha az égéskor keletkezett víz és a tüzelőanyag eredeti nedvességtartalma gőz állapotban van jelen az égéstermékben. A fűtőérték a víz kondenzációs hőjével kisebb az égéshőnél. (Fajlagos) tűzterhelés Tűz során az anyag elégése következtében felszabaduló Éghető fűtőérték energia = Σ fűtőérték tömeg / alapterület anyag H u [MJ/kg] fa 17,5 ruha, pamut, gyapjú 20 Q = H u, i M i / A szalma 20 Probléma i szén 30 metanol / etanol 30 az időbeli lefolyásról nem ad információt!!! Csak az össz-hőmennyiségre vonatkozik [MJ(/m 2 )] benzin 45 B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 5

6 Égés fajtái Égés fajtái Tökéletes égés: éghető anyag oxidálásához elegendő oxigén áll rendelkezésre C CO 2, S SO 2, égéstermékek tovább nem oxidálódnak a valóságban ritkán fordul elő Tökéletetlen égés: éghető anyag oxidálásához nincs jelen elegendő oxigén C CO, S SO, atomok részlegesen oxidálódnak keletkezett anyagok tovább oxidálhatók, ált. további tűz és robbanásveszély a legtöbb égési folyamat (ill. tűz) ilyen Nyílttéri tűz (égés): kellő mennyiségű oxigén áll rendelkezésre, hőáramlásnak akadálya alig van Zárttéri tűz (égés): korlátos mennyiségű oxigén áll rendelkezésre hő- és füstáramlás geometriailag korlátos Láng olyan gázok alkotják, melyek nem a látható tartományban sugároznak, pl: N 2, O 2, CO 2, H 2 O ilyen pl: metanol égése ill. a tökéletes égés B., Világító láng izzó gáztömeg, amely láthatóan jelez egy tartományt, ahol az égés (oxidáció) igen gyorsan megy végbe láng világítását a (még) el nem égett és izzásig hevített szénrészecskék okozzák ezek a szénrészecskék a reakciózónában elégnek vagy a füstképződésben vesznek részt Nem világító láng Jellemző lánghőmérsékletek Lánggal égés gázfázisú égés: az éghető anyag és a tápláló oxigén is gáz halmazállapot tökéletlen égési zónában a részecskék az energiájukat hő- és fénysugárzással adják le, így láthatóvá válnak pl. gázok, folyadékok gőzei Izzás (parázzsal égés) oxidáció az éghető anyag anyag felületén zajlik (pl. koksz, faszén, fémek) Lánggal és parázzsal égés összetett anyagok egy része az égés alatt hőbomlást szenved, elgázosodik, így lánggal ég a másik rész pedig felületileg izzik (fa, szalma, tőzeg) 1E Égéselméleti alapok Anyagok (fázisok) égése gázok folyadékok szilárd anyagok B., előkevert lángok (gázégők): C kb. metanol (nem világító) lángja: 1200 C kormozó lánggal égő benzol: 920 C 1000 C-tól B., B., porok Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 6

7 Gázok égése Gázok égése Pl: hidrogén, CO, metán, acetilén, földgáz Gáz-levegő elegyek meggyulladása (ill. robbanása) gyulladás kezdete: gyújtóforrás hőt ad a rendszernek, és a kémiai reakció egy kis elemi térfogatban végbemegy kérdés: Q & keletkezet t Q& veszteség, azaz önfenntartó-e az égés? az éghető gáz koncentrációjától (CC) függ, hogy az égés folytonos-e, vagy csak lobbanásról (pillanatnyi idejű, lokális égési jelenség) beszélhetünk Gázok égése Gáz ÁÉH (V%) FÉH (V%) Fűtőérték (MJ/kg) CO 12, hidrogén (H 2 ) metán (CH 4 ) acetilén (C 2 H 2 ) 2, Lánggal égés: mindig gáz fázisú égés térfogati égés ATF- FTP B., standard állapotban előkevert diffúz égés égés B., minimális koncentráció: AÉH alsó éghetőségi határkoncentráció Az az éghető gáz-koncentráció a gáz-levegő elegyben, amelynél a folyamatos égés vagy robbanás az éghető gáz megfelelő mennyiségének hiánya miatt még épp nem következik be. (ha robbanás várható: ARH alsó robbanási határkoncentráció) maximális koncentráció: FÉH felső éghetőségi határkoncentráció Az az éghető gáz-koncentráció a gáz-levegő elegyben, amelynél a folyamatos égés vagy robbanás az oxigén-hiány miatt már épp nem következhet be. Folyadékok égése Pl: benzin, gázolaj, alkoholok - tócsaként / tartályban Folyadékok melegedése minden folyadék párolog, folyadékfelszín fölött: gőz Q & < Q& keletkezett veszteség B., Lobbanáspont: az a legalacsonyabb hőmérséklet, ahol a folyadékfelszín fölött éghető gőz-levegő elegy alakul ki gáz-(gőz)koncentráció : AÉH (a magas hőmérséklet miatti intenzív párolgás kellő gőzutánpótlást biztosít) Lobbanás: felszíni gázok (gőzök) gyújtóhatásra belobbannak pillanatnyi lángjelenség a folyadék felszíne fölött nem folyamatos égés (nem önfenntartó égés) B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 7

8 Folyadékok égése Lobbanáspont fölött melegítve a folyadékot, a felszín fölötti gáz(gőz)koncentráció nő. Gyulladáspont: az a hőmérséklet, ahol a gázokat (gőzöket) meggyújtva folyamatos, önfenntartó égés alakul ki. Q& Q& J s Anyag Lobbanáspont Gyulladási hőmérséklet Forráspont [ C] [ C] [ C] Benzin E95 < Gázolaj Kerozin Etilalkohol Folyadékok égése: gőzfázisú égés [ ] keletkezet t veszteség / Folyadékok égése nyitott felszín B., a láng a folyadék teljes felületére igyekszik kiterjedni (felszíni lángterjedés) folyadék felületén izotermikus réteg alakul ki (kb. 4-5 mm), aminek hőmérséklete: közelítően a forráspont reakciófronton keveredik a gőz az oxigénnel folyamatos égés diffúziós égés B., Folyadékok égése nyitott felszín a láng a folyadék teljes felületére igyekszik kiterjedni (felszíni lángterjedés) folyadék felületén izotermikus réteg alakul ki (kb. 4-5 mm), aminek hőmérséklete: közelítően a forráspont Szilárd anyagok égése Pl: fa, szén, PUR-hab, gumi, papír Szilárd anyag melegítése B., szilárd anyag hőbomlást szenved, egyes alkotói gázként távoznak (pirolízis) pl. CO, CO 2, CH 4, vízgőz, stb. közben halmazállapotot is válthat az anyag (szublimál vagy megolvad) a hőbomlásból származó gázok is éghetnek (lánggal) a szilárd anyag felületi izzással (parázslással) is éghet gyulladási hőmérséklet: az a legalacsonyabb hőmérséklet, ahol az éghető anyag egy mintája adott körülmények közt - meggyullad B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 8

9 Fa (lucfenyő) égési jelenségei Szilárd anyagok fa égése Inhomogén keverékanyag, ρ = kg/m C termikus bomlás, pirolízis gáz fázisú bomlástermékek: CO, CO 2, CH 4, C x H y stb. (lassú felületi szenesedés) C lobbanások bomlott éghető gázok a lokálisan magasabb gázkoncentrációknál ellobbannak kb. 300 C gyulladáspont - lánggal égés (és parázslás is) meggyújtott bomlási gázok folyamatosan égnek kb. 330 C öngyulladás bomlási gázok külső gyújtóhatás pl. gyújtóláng nélkül, pusztán a magas hőmérséklet okán meggyulladnak kb. 700 C hőbomlás megszűnik csak a keletkezett faszén ég parázzsal a hőmérsékleti értékek a konkrét tűzkitéti időtől jelentősen függenek Pl: cukor / liszt pora, fűrészpor Porok égése - porrobbanás Por: nagy fajlagos felületű, kis szemnagyságú részecskék összessége kis tömegű porszemek levegőben lebeghetnek kis szemnagyságú porrészecskék tökéletesen előkeverednek a levegővel Kulcsár B., Gáz-levegő elegyek meggyulladása (ill. robbanása) nagyon gyors égés (robbanás) indulása: gyújtóforrás hőt ad a rendszernek, és kémiai reakció egy kis elemi térfogatban végbemegy kérdés: beindul-e a láncreakció, ami a por koncentrációjától (is) függ fa égése: parázzsal és lánggal él cellulóz tartalmú anyag pirolízissel (hőbomlással) éghető gázokat fejleszt lánggal égés elszenesedett felület faszene parázzsal ég 1D Tüzek fizikája Hőtani alapok - összefoglaló B., minimális koncentráció: ARH alsó robbanási határkoncentráció Az a por-koncentráció a por-levegő elegyben, amelynél a nagyon gyors égés (robbanás) láncreakciója a porszemcsék hiánya miatt még épp nem következik be. B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 9

10 Transzportfolyamatok Hősugárzás (radiáció) Különböző rendszerek kölcsönhatásai során a rendszerek között anyag és energia áramlik. Áramlás tapasztalható akkor is, ha a rendszer belsejében a belső energiasűrűség eloszlás nem homogén azaz a térben hőmérséklet-különbségek vannak. Teljes hőtranszport = α c c ( Θ g Θd Hőátadás (konvekció) anyagárammal létrejövő energiaranszport, a hővezetés és a közvetítő közeg kombinációja. A hőátadás a szilárd anyag és a gáz / folyadék (fluidum) határrétegeinek átmenetét írja le (pl. egy fal és a tűztérbeli gázok érintkezési felületénnél). Hőáramsűrűség rövid időintervallumban, Θ = áll. közelítően stacioner hőtranszp. ) Hőátadás (konvekció) Hőáram: Q & [ J / s] Hőáramsűrűség (fluxus) hőáram, irányára merőleges felületegységen Q h & & = q& = A α c = hőátadási tényező [W/m 2 K] Θ g = gáz-hőmérséklet [ C] Θ d = felületi hőmérséklet [ C] 2 [ J / m s] B., B., Bármely test saját és környezete hőfokától függetlenül energiát bocsát ki magából sugárzás formájában. (pl. a tűztér forró fala és a láng) Hőáramsűrűség rövid időintervallumban, Θ = áll. közelítően stacioner hőtranszp. 4 4 [( Θ + 273) ( Θ + 273) ] r = Φ ε m ε f σ r d Φ = konfigurációs tényező ( 1.0) ε m = rel. felületi emisszió ε f = tűz rel. emissziós tényezője (1.0) Θ r = eff. sugárzási hőmérséklet [ C] σ = Stephan-Boltzmann állandó (5, [W/m 2 K 4 ]) Vezetéssel létrejövő energiatranszport esetén makroszkópikus anyagáramlás nincs, de közvetítő közeg szükséges hozzá (pl. egy faltest). Hőáramsűrűség rövid időintervallumban, Θ = áll. közelítően stacioner hőtranszp. Homogén faltest: d Θ k = λ dx Inhomogén faltest: 1 k = d1 d2 d3 + + λ λ λ Hővezetés (kondukció) ( Θ 1 Θ ) 2 (Fourier I.-törvény) B., λ i = hővezetési tényező [J/mKs] d i = rétegvastagság [m] Θ i = hőmérséklet [ C] B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 10

11 Hőtranszport a testben milyen változásokat okoz? Kellően vékony és jó Θ Q& = ρv c hővezető fal esetén: t (egy rövid időintervallumban) Θ m net A = t c ρ V ρ = testűrűség tömeg c = fajhő [J/kgK] B., Hőtranszport a testben milyen változásokat okoz? Acél pillér (szerkezeti elem) homogén, jó hővezető anyag vékony alkotólemezek, nagy besugárzási felület kb. egyenletes Θ-eloszlás Zárt rendszerbeli hőmérleg: elnyelt hőenergia = belső energia növekmény Qin = Qwarm [ J ] W 2 J kg 3 0 net[ ] A[ m ] t[ s] = c[ ] ρ[ ] V[ m ] Θ [ C] m m kg C m tűzre (hőhatásra) jellemző anyagjellemzők (egy rövid, véges t időintervallumban) geometriai jellemző B., Hőtranszport a testben milyen változásokat okoz? 1E Zárttéri tűzfejlődés tűz valós lefolyása tűz mérnöki leírása (modellezése) B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 11

12 Természetes tűzfejlődés zárt térben 1. elszigetelt / lokális tűz 2. növekvő tűz hőbomlás éghető gázok fokozódó gáz-cc & akkumulálódó hő 3. kifejlett tűz 4. hanyatlás / oltás ATF-FTP anyagok + gázok tárfogati égése Átmenet: flash over / teljes lángbaborulás ATF-FTP Video Egyszerűsített tűzmodellek Kifejlett tűz fázisára ATF-FTP ATF-FTP B., Feltételezés: - bekövetkezett a flash-over kifejlett tűz stádiuma - a tűztérbeli gázhőmérséklet időben változó, de eloszlása közelítően egyenletes Előnyei: - szerkezeti elem egyszerű hőmérsékleti számítását teszi lehetővé - általában a biztonság javára téved B., Θ g [ºC] gázhőmérséklet Természetes tűzfejlődés zárt térben gyulladás / öngyulladás növekedés természetes (valódi) tűz elszigetelt tűz, ált. rövid időtartam kifejlett tűz szabványos (helyettesítő) tűz FLASH OVER Θ g.max [ºC] tűz átterjedés más terekre hanyatlás t [s] idő Teljes lángbaborulás (flash over): Elszigetelt tűz esetén bekövetkezhet Egy olyan stádium, ahol a tűz és égő anyagok a hőbomlás révén gyúlékony gázok képződését idézik elő (kialakul az AÉH). Ha ehhez adott egy gyújtóforrás (a tűz), a növekvő tűzből hirtelen erőteljes átmenettel teljesen kifejlődött tűz keletkezik (azaz a tűzteret kitöltő éghető gázok - közel - teljes térfogatukban égnek). Θ ( 0 C) - gázhőmérséklet Θ g [ºC] gázhőmérséklet gyulladás / öngyulladás Egyszerűsített tűzmodellek Szabványos zárttéri tűzfejlődési görbe Θ g.max [ºC] ISO-szabványos zárttéri tűzfejlődési görbe növekedés 842 természetes (valódi) tűz 945 kifejlett tűz 1006 B., hanyatlás 1110 szabványos (helyettesítő) tűz Θ g = log10 (8t + 1) FLASH ISO zárttéri tűz (standard fire) OVER t [s] idő t (min) - mérnöki megállapodás, korábbi tűzkísérletek alapján, nincs lehűlő szakasza - cellulóz-alapú anyagok tüzét írja le kémiai reakció hőfejlődési sebessége (lakások, irodaépületek, ált. raktárhelyiségek és csatlakozó helyiségek) - a pontos környezettől, funkciótól függetlenül általánosan használható B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 12

13 Egyszerűsített tűzmodellek Kifejlett tűz paraméteres hőmérséklet-idő görbék A funkció/tárolt anyagok és a geometria konkrét ismeretében - a kifejlett tűz stádiuma időben korlátos - hanyatló (lehűlő) szakasz is jellemzi a tüzet Θ g = Van hanyatló szakasza! * * * 0.2t 1.7t 19t ( e 0.204e 0.472e ) Tűztér (tűzszakasz) teljes térfogata ég (A 500 m 2, H 4 m, tetőnyílás nincs) Bemenő adatok: - tűzterhelés, hőfejlődés üteme - határoló felületek hőtani jellemzői (falak, födémek, padló): c, λ, ρ - határoló felületek geometriája (alapterület, nyílások geometriája) B., Kétzónás modell Részletes tűzmodellek Zónamodellek növekvő tűz fázisa - tűz növekvő szakaszára - két zóna, eltérő de a zónán belül közel állandó hőmérséklettel - zónák közt: átmeneti réteg feltételezése ahol a hőmérsékletváltozás végbemegy Átmeneti réteg süllyed ha közelít a padlóhoz Egyzónás modell - csak kifejlett tűzre - azonos hőmérséklet a tűztérben határoló falak a hőtani és geometriai jellemzőikkel vehetők figyelembe B., Részletes tűzmodellek Empírikus modellek (valós kísérletek alapján) - lokális tűz - Heskestad modell Feltételezés: - kis mennyiségű éghető anyag, korlátozott hőfejlődés - határoló szerkezetek jellemzően nem éghetők - pontba redukált tűzfészek A Tűzfészek helyettesítő átmérője : D = π 2 0,5 * Q& * Q& Q D = 6 2,5 Q 1,11 10 D H = 6 2,5 1,11 10 h Tűzfészek magassága: z' = 2,4 D Lángmagasság (elér a mennyezetig?): Láng mennyezeti vízszintes kiterjedése: Mennyezeti pont geometriai jellemzője: *0,4 *0,67 ( Q D Q ) D L f = 1,02 D + 0,0148 Q L H = *0,4 ( 2,9h Q ) h 3,7 2 Hőáramsűrűség adott mennyezeti pontra: h & = / y [ W / m ] Részletes tűzmodellek cellamodellek tetszőleges tűz-stádium H Q& 50 MW 0,4 ( r + h + z' )/( L + h z' ) y = H + CFD-modell (áramlástani és égéselméleti konbinált modell): B., termikus és fluidum-modell csak számítógéppel számítható alapelv: kisméretű cellákra osztja fel a teret (VEM-módszerhez hasonlóan) e cellák fizikai egyensúlyát írja fel, ebből számítva az állapotjelzőket a valósághű számításhoz sűrű cellaosztás kell tetemes számítási idő (pl. egy ipari csarnok, 6 db 4 magos gép PHA-futtatással akár 1-3 hét) - hőmérsékletfejlődés, lánghőmérésklet és füstkoncentráció a rendszer tetszőleges pontjában számítható B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 13

14 1F - Szerkezetek tervezése tűzhatásra tartószerkezetek számítási lépései termikus analízis cél: szerkezetre ható hőáramsűrűség ( h & net ) meghatározása a szerkezeti hőmérséklet (Θ d ) számításához (ill. a hőmérséklet-eloszlás meghatározásához) B., Tervezés tűzhatásra - általános eljárás (3) Mechanikai analízis (3.) az elem magas hőmérséklete szilárdságot vagy szelvény-méreteket csökkent az elem alakváltozás (pl. hossz-méretváltozása) további hatásokat okozhat elem / szerkezet egy része / teljes szerkezet teherbírásának igazolása magas hőmérsékleten Szerkezeti elem - teherbírás igazolása (választható teherbírási határállapotok) R fi,d,t E fi,d teherbírás megfelelősége t fi,d t fi,req tűzállósági határérték Θ d Θ cr,d kritikus hőmérséklet B., Tervezés tűzhatásra - általános eljárás Tervezés folyamata 0. lépés 1. lépés 2. lépés 3. lépés Időben változó, instacioner hőáram lépésenkénti megoldás (differenciamódszer) Θ m,1 Tűzfolyamat választása (lokális / növekvő / kifejlett tűz) és tűzmodell-számítás Szerkezet / elem hőmérsékleti analízise Magas hőmérsékletű ( forró ) szerkezet/elem mechanikai analízise, teherbírás igazolás A szerkezeti elem hőmérséklete Mekkora egy acél szerkezeti elem hőmérséklete (Θ m ) t idő eltelte után ISO-zárttéri tűzhatásnál? net A = dt c ρ V hőmérsékletfüggő anyagjellemzők is figyelembe vehetők (pl: c - fajhő) c (Θ=20ºC) = 440 J/kgºC B., Feltételezések: - egyenletes hőmérséklet-eloszlás a szerkezeti elemben (hővezetés okán) Fourier II.-törvény leegyszerűsítése - a leárnyékolást és egyéb geometriai hatásokat elhanyagoljuk - szerkezet anyaga nem megy át kémiai átalakuláson B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 14

15 A szerkezeti elem hőmérséklete Szerkezeti elem hőmérséklete - példa Acélpillér elemi környezete (tartomány) ISO-zárttéri tűzhatás során Hőáramsűrűség hősugárzás + hőátadás & & + & előírt sugárzási hőáramsűrűség test-felszíni hőátadási a tartomány (és a test) peremén hőáramsűrűség ~ Θ g -Θ m (másodfajú peremfeltétel) (harmadfajú peremfeltétel) net 4 [( Θ ) ( Θ + ) ] 4 g, ϕ ε ε σ 273 = m f m ε h net = hnet r h m = 0,5 (acél), ε m = ϕ = 1,0, net, c net, c = α c ( Θg Θm ) α c = 25 W/m 2 K Θ g : gáz-hőmérséklet Θ m : acél - felület/szelvény hőmérséklete B., r Mekkora a nagyterű iroda acélpillérének hőmérséklete 30 perc tűzhatás után? Lépésenkénti megoldás (differenciamódszer) Excel-munkalap / MatLab rutin t (min) Szerkezeti elem hőmérséklete - példa Θ g-zt ( 0 C) Θa,t,0 ( 0 C) ρ a(kg/m 3 ) c a,1(j/kg 0 C) c a,2(j/kg 0 C) c a,3(j/kg 0 C) c a,4(j/kg 0 C) c a(j/kg 0 C) A m/v(1/m)h net,c(w/m 2 ) Θa,t ( 0 C) Θa,t,+1 ( 0 C) ,1 108,1 20, , , , , ,6 0,5 20,5 0,2 163,2 20, , ,12 519, , ,7 0,8 21,2 0,3 203,4 21, , , , , ,1 1,0 22,2 0,4 235,0 22, , , , , ,1 1,2 23,4 0,5 261,1 23, , , , , ,8 1,4 24,8 0,6 283,4 24, , , , , ,9 1,5 26,4 0,7 302,7 26, , , , , ,9 1,7 28,0 0,8 319,9 28, , , , , ,0 1,8 29,9 0,9 335,3 29, , , , , ,5 1,9 31, ,2 31, , , , , ,2 2,0 33,8 1,1 362,0 33, , , , , ,0 2,1 36,0 1,2 373,7 36, , , , , ,4 2,2 38,2 29, ,4 29,5 839,3 736, , , ,4 0,3 736,7 29,6 839,8 736, , , , , ,3 0,3 737,1 29,7 840,3 737, , , , , ,4 0,4 737,4 29,8 840,8 737, , , , , ,6 0,4 737,8 29,9 841,3 737, , , , , ,9 0,4 738, ,8 738, , , , , ,0 0,4 738,7 Szabad paraméterek: Mekkora a nagyterű iroda acélpillérének hőmérséklete 30 perc tűzhatás után? irodatér jellemzően cellulóz-alapú anyagok szabványos ISO-zárttéri tűzgörbe használható acél anyag jó hővezető, vékony alkotólemezekből áll egyenletes hőmérséklet-eloszlás feltételezhető az anyagban B., Hőtranszport = hősugárzás + hőátadás & & + & Θ m 740ºC 4 [( Θ ) ( Θ + ) ] 4 m ε f σ g ( Θ Θ ) h net, d = hnet, r hnet, c net, r = ϕ ε m tűzhatás ideje Acélpillér hőmérséklete [ºC] - az A m /V-arány méretezési diagram is készíthető ISO-szabványos zárttéri tűzhatás esetén B., net, c = α c Szerkezeti elem hőmérséklete - példa Mekkora az acélpillér hőmérséklete (Θ m ) t idő után ISO-zártéri tűzhatás esetén? g Acél pillér jellemzői: A m /V = 100 [1/m] előírt tűzállóság: 30 perc m Θ m( 0 C) A m /V = 100 [1/m] 10 min 15 min 30 min 45 min 60 min Szelvény-tényező Am*/V (1/m) B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 15

16 1G Zárttéri tűzfejlődés 2 teljesen zárt terek (oxigénhiányos tűz) égése - backdraft ATF-FTP Kérdés: teljesen zárt térben lesz-e elég oxigén az égéshez? Svéltűz és a backdraft B., Folyamat (2) - NYÍLÁS KITÖRIK - oxigén jut a tűztérbe (alacsony nyomás beszívja) - füst egy kisebb része távozik - nagy éghető gáz CC + oxigén heves kémiai reakció - nagy CC-ban éghető gázok további felszabadulása és térfogati égése - a reakció a térfogati égés egy részét kilöki a nyílt térbe BACKDRAFT / SZÚRÓLÁNG átmenet a kifejlett tűzbe átmenet ~ 1 sec B., svéltűz Svéltűz és a backdraft Folyamat (1) Backdraft a szúróláng folyamata - lokális gyújtóforrás - zárttéri tűz - (ált.) szilárd anyagok lánggal és izzással (parázzsal) égése - tűz fejlődése, gázhőmérséklet nő - hőbomlásból származó éghető gázok koncentrációja (CC) nő közben a nyílászáró nem törik ki - oxigén a zárt térben fogy - füst is alig lép ki a térből - az oxigén mennyisége minimális - éghető gázok koncentrációja CC > FÉH - lánggal égés szinte megszűnik izzás, parázsló égés (svéltűz) - hőmérséklet csökken, gáz összehúzódik alacsony nyomás (depresszió) B., Video B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 16

17 1H Zárttéri tűzfejlődés 3 alagutak szénhidrogén-tüzek Közúti alagutak tüzei Kifejlett tűz zónái B., lokálisan zárttéri jellegű tűz B., Közúti alagutak tüzei Tűzkeletkezési okok és tűzfejlődés Leggyakoribb szcenárió: - közúti baleset - ennek egy tehergépjármű is résztvevője - üzemanyagtartálya vagy rakományának (kőolajszármazék / műanyag) burkolata megsérül 1. eset - éghető anyag ömlik ki - forró motoron / kipufogógőztől stb. meggyullad - (kezdetben) lokális tűz környezeti jellemzőktől függően marad lokális / fejlődik ki a tűz Θ ( 0 C) - gázhőmérséklet Video ISO-szabványos szénhidrogén tűz-fejlődési görbe 1071 Közúti alagutak tüzei eset - éghető anyag a tartályában gyullad meg kifejlett tűz Zárttéri szénhidrogéntüzek ISO-szabványos tűzmodellje 5 perc után Θ g 1100 = 1080(1 0,325e t (min) 0.167t 0,675e B., t ) + 20 ISO - CH-tűz: ipari és off-shore-létesítményekre kifejlesztett szén-hidrogéntűz alagutak tervezése tűzhatásra: mindig egyedi hőmérséklet-idő-görbe alapján B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 17

18 Θ ( 0 C) - gázhőmérséklet Alagutak tüzei Alagúttüzek hőmérséklet-fejlődési görbéi t (min) Módosított szénhidrogén-tűz-diagram (HCM) - Franciaország, közúti alagút, Mount Blanc alagút tüze után, max Θ = 1300ºC 1100 RABT / ZTV-diagram - Németország, közúti/vasúti alagutak, 10 tonna (12,5m 3 ) éghető CH-folyadék tüze - max Θ = 1200ºC, 60 perc után hanyatló fázis, korlátozott flash-over-fázis RWS-diagram (RijksWaterStraat-görbe) - holland közúti alagutak, kamion 50m 3 benzin-rakománnyal B., Homlokzati tűzterjedés Nyílttéri tüzek kialakulása Leggyakoribb szcenáriók: - (1) beltéri (zárttéri tűz) üvegek kitörése után a tűz a külső térben a homlokzaton / tetőn is terjed(ne) - (2) kukatűz 1100 ISO-CH MHC RABT-vonat RABT-szgk RWS A-metrótűz 1I Nyílttéri tűz 1 Homlokzati tűzterjedés (épületek) Homlokzati tűzterjedés Nyílttéri tűz zónái Folyamat: - forró gáz-levegő elegy felfelé áramlik (nagy hőmérsékletkülönbség a forró gázlevegő-elegy és a környező levegő közt) nagy felhajtóerő félig kötött áramlás (Coanda effektus), a forró gáz és a levegő alig keveredik - a forró gáz-elegy egy része lánggal ég - a forró gáz/láng meggyújtja / kárt okoz a homlokzat anyagán a külső légáramlás miatt a lokálisan nagyobb éghető gáz-cc felső szinten visszajuthat a házba és tüzet okozhat a külső légáram miatt a füst is visszajuthat az épületbe B., B., B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 18

19 Θ ( 0 C) - gázhőmérséklet Homlokzati tűzterjedés Nyílttéri tüzek ISO-szabványos tűzmodellje ISO-szabványos kültéri tűzfejlődési görbe 680 Θ g = 660 (1 0,687 e t (min) Gázhőmérséklet: platója van! 0.32 t 0,313e 3.8 t Gázhőmérsékleti plató (max) oka: hősugárzás a szabad térbe (veszteség) 1J Nyílttéri tüzek 2 Mérnöki műtárgyak tüzei közúti hidak oljaipari létesítmények ) + 20 B., B., Θ ( 0 C) - gázhőmérséklet Szabványosított tűzfejlődési görbék zárttéri nyílttéri szénhidrogén tüzek ISO-szabványos tűz-fejlődési görbék szénhidrogén nyílttéri zárttéri t (min) Θ max 1100ºC Θ max 700ºC szénhidrogén tűz heves reakció gyors hőfejlődés nyílttéri tűz hősugárzás a szabadba alacsonyabb hőmérsékleti max. B., Közúti hidak lehetséges tüzek B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 19

20 Olajipari tartályok tűz átterjedése Olajipari tartályok tűz átterjedése - olajtartály ég, a forró tartályfal teteje és a láng hőt sugároz - közeli szomszéd tartály és olaja hőmérséklete nő intenzív párolgás B., Olajipari tartályok tűz átterjedése - folyadék eléri a lobbanáspontját, majd gyulladáspontját - elpárolgott éghető gázok a folyadékfelszín fölött önfenntartóan égnek B., szomszéd tartálybeli olaj hőmérséklete a forrásponthoz közelít - az olajfelszín fölötti éghető gázok CC-ja nő B., Olajipari tartályok kivetődés (boilover) - Kőolaj (keverék) ég, a kisebb sűrűségű olaj-alkotók a felső rétegben úsznak - elegy melegszik, az alsó vízréteg hőmérséklete eléri a 100ºC-t, forrni kezd B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 20

21 Olajipari tartályok kivetődés (boilover) Videok - olaj fogy, elegyszint csökken, a gőznyomás lassan eléri a leterhelő olaj nyomását - víz térfogatában hirtelen felforr és a gőz a környezetbe repíti az égő olaj nagy részét B., Béla, elektronikus adatbázisban tárolni tilos! 21