BOLYAI SZEMLE KÜLÖNSZÁM

Átírás

1 DR. HORVÁTH LÁSZLÓ ACÉLSZERKEZETEK TŰZVÉDELMI TERVEZÉSÉNEK EGYES KÉRDÉSEI A VISELKEDÉS-ALAPÚ TERVEZÉS ELEMEI ISSUES RELATED TO FIRE SAFETY IN STEEL STRUCTURE DESIGNING ELEMENTS OF PERFORMANCE-RELATED DESIGN Az acélszerkezetek tervezésénél a tűzvédelmi szempontok figyelembevétele is igen fontos tényező. A szerkezet különféle hatások általi viselkedésének vizsgálatára, ezek modellezésére több lehetőség is kínálkozik. A teljesítményalapú tervezés során a tényleges viselkedés várható figyelembevételével alakítható ki a terv. Kulcsszavak: acélszerkezet, tervezés, tűzvédelem, teljesítményalapú. When designing steel structures, considering fire safety aspects is an essential factor. There are several ways of examining and modelling their behaviour under various circumstances. Performance-based design takes into account the actual expected behaviour when planning. Keywords: steel structure, designing, fire safety, performance-based 1. Bevezetés A tűzesetek, valamint az építmények tűzhatás alatti viselkedésének tanulmányozására az elmúlt évtizedekben nagyon sok energiát fordítottak. Részletesen elemezték és vizsgálták az épületekben bekövetkezett tűzeseteket, ellenőrzött körülmények között teljes épületeken végeztek tűzkísérleteket. Vizsgálták a tűzfolyamatokat, mérték a tűzszakaszban keletkező gázhőmérsékletek időbeni lefutását. A kísérletek során meghatározták a tartószerkezetek hőmérsékletének alakulását, az egyes szerkezeti elemek alakváltozásait és azok következményeit. Mindezek vetették meg az un. Performance-based design alapjait, amit magyarul általában teljesítmény-alapú tervezésnek, vagy pontosabban viselkedés-alapú 29

2 tervezésnek nevezünk. Az eljárás kifejlesztésén és alkalmazásán számos európai projekt dolgozott az elmúlt években [1], [2], [3]. Az egyes országok tűzvédelmi előírásrendszerei egyre szélesebb körben teszik lehetővé a viselkedés-alapú tűzvédelmi módszerek alkalmazását, amely képes a hagyományos előíró módszerekkel egyenértékű biztonságot garantálni építészetileg igényes, ámde tűzvédelmi szempontból bonyolult létesítmények esetére is, és az OTSZ 5.0 tervezetében is lényegi szerepet kapott. 2. A viselkedés-alapú tervezés alkalmazhatósága A viselkedés-alapú módszerek mind a tűzvédelmi követelmények, mind a tartószerkezetek tűzhatásra mutatott ellenállásának tűzvédelmi teljesítményének megállapításához segítséget nyújtanak. A követelmények megállapítása részletes kockázatelemzést igényel, melynek során számos szempontot elemeznek. Többek között figyelembe veszik az épület rendeltetését, kialakítását, működési körülményeit, a védelmi célok prioritásai szerint a kiürítési időt, a tűzoltóktól elvárt teendőket, a létesítményben létrejöhető tűzfolyamatokat és azok valószínűségét, valamint a tartószerkezet vagy annak egyes részei tönkremenetelének valószínűségét és következményeit. Ezt a feladatot részben a tűzvédelmi szabályozás kidolgozóinak, részben pedig az adott létesítmény tűzvédelmi tervezőjének, szakértőjének kell elvégeznie, és részletes elemzése nem tárgya jelen publikációnak. A továbbiakban csak a tartószerkezetek tűzvédelmi teljesítményének tényleges viselkedés alapján történő megállapításával foglalkozunk. 3. A viselkedés-alapú tervezés lépései A viselkedés-alapú tervezés három eleme a tűzfolyamat elemzése, a tűz folyamán a szerkezetet érő hőmérsékleti hatás megállapítása, végső soron a tartószerkezet tűzhatásra adott válaszának meghatározása (1. ábra). A három alkotóelem nem függetleníthető egymástól, kölcsönhatásaikra is tekintettel kell lenni. 30

3 1. ábra: a viselkedés-alapú tervezés elemei Az épületet veszélyeztető tűzhatás folyamatát és kifejlődését számos tényező befolyásolja. Csak néhány ezek közül: a tűzszakasz mérete, kialakítása, éghető anyagok mennyisége és elhelyezkedése, nyílások és légáramlási viszonyok, aktív tűzvédelmi eszközök (sprinklerek) stb. A tényleges tüzek viselkedése alapvetően eltér a hagyományos tűzvédelmi tervezésnél használatos ISO tűzhatásgörbétől (2. ábra). 2. ábra: Hőmérséklet alakulása természetes tüzekben és az ISO tűzhatásgörbe [1] 31

4 A tűzvédelmi tervező és szakértő feladata mindezen hatások elemzése alapján a tűzfolyamat időbeni lefutásának és a tervezéshez használandó mértékadó gázhőmérsékleteknek megállapítása, amelyhez a korszerű számítógépi szoftverek és a tűzmodellezés eszköztára hatékony segítséget nyújt. A mérnöki tervezési módszerek ma normatív segítséget adnak ahhoz, hogyan lehet a gázhőmérséklet ismeretében meghatározni a tartószerkezetek hőmérsékletének alakulását. A tartószerkezeti tervező az Eurocode szabványsorozat megfelelő köteteit [4], [5] használva a meghatározhatja a szerkezeti elemek hőmérsékletét a tűzhatás folyamán. Ennek alapján követhető a szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságainak hőmérséklet-emelkedés miatt beálló megváltozása, ami magával vonja a terhelt szerkezet alakváltozásainak megnövekedését és teherbírásának csökkenését. A tartószerkezet tűzvédelmi teljesítményének megállapításával elvégezhető a tűzvédelmi követelmények teljesülésének ellenőrzése. A tartószerkezetek tűzhatás alatti viselkedését pontosan követő méretezési eljárás figyelembe veszi tehát mindazt, hogy milyen hőmérsékletek alakulnak ki a tűzben, hogyan viselkedik a tartószerkezeti rendszer a magas hőmérsékleten, milyen előnyös hatásokkal járnak az aktív és a passzív tűzvédelmi rendszerek, továbbá az e három szempontban rejlő bizonytalanságokat valamint a tartószerkezet fontosságát - azaz tönkremenetelének következményeit. A mérnöki gyakorlatban ezt ma még nem tudjuk célként kitűzni. Jelenleg csak olyan eljárások alkalmazására van eszköztárunk, amelyben néhány, de nem az összes korábban felsorolt paraméter hatását vesszük figyelembe például az aktív tűzvédelmi eszközök (automatikus tűzoltó berendezések, sprinklerek) hatását csak a tűzfolyamat elemzése során vesszük tekintetbe és ennek alapján mutatjuk ki, hogy a tartószerkezet vagy annak elemei egy tűzeset esetén megfelelő ellenállást tanúsítanak-e. 4. Acélszerkezetek viselkedése tűzhatásra és a viselkedés-alapú méretezés A tartószerkezet tűz hatására bekövetkező viselkedésének elemzésére számítógépi szimulációs programok alkalmasak. A szerkezet térbeli modelljét kell felépíteni, gondosan ügyelve a megtámasztások és a ter- 32

5 hek megfelelő interpretálására. A fajlagos nyúlások tűzhatás esetén az alábbi összetevőkből állnak (3. ábra): ε t = ε th + ε r + ε c + ε σ ahol ε t a teljes nyúlás ε σ a teherből bekövetkező nyúlás ε th a hőmérsékletváltozásból bekövetkező nyúlás ε c a kúszásból bekövetkező nyúlás ha van a maradó feszültség okozta nyúlás ε r 3. ábra: Fajlagos nyúlások a tűzhatás alatti keresztmetszetben [6] Tűzhatás esetén a hőmérséklet a szerkezeti elemben az idő függvényében folyamatosan változik. Másrészt az anyag mechanikai tulajdonságai is változnak a hőmérséklettel, azaz időben folyamatosan változó mechanikai tulajdonságokkal kell dolgoznunk. Acél esetében a rugalmassági modulus és a folyáshatár változását kinematikai anyagmodell alkalmazásával lehet követni (4. ábra), kis időlépésekkel és lépésenként másmás feszültség-nyúlás görbére való áttéréssel. 4. ábra: Kinematikai anyagmodell [6] 33

6 A szerkezet alakját minden pillanatban a rá ható külső terhek és a belső erők egyensúlya alapján határozzuk meg. A hőmérséklet növekedése során az anyag rugalmassága csökken, a hőtágulás és a terhek együttesen rohamosan növekvő alakváltozásokat eredményeznek. A számítás nemlineáris rugalmas-képlékeny analízist igényel, amelyet kis időlépésekben, állandó hőmérséklet mellett step-by-step iteratív módszerrel lehet megoldani (5. ábra). 5. ábra: Iteratív számítás kis lépésekben [6] Kéthajós csarnokszerkezet tűzhatás alatti viselkedésének szimulációját mutatja be a 6. ábra. 6. ábra: Kéthajós acélcsarnok viselkedése tűzhatásra [6] A tűzhatás térbeli tartószerkezeti modelleken való elemzése számos érdekes és továbbgondolást igénylő eredménnyel járt. 34

7 Az acél anyag a hőmérséklet emelkedésére alakváltozással hőtágulással reagál, ami tűzhatás esetén jelentős mértéket érhet el. A hagyományos ISO tűzhatásgörbe azt feltételezi, hogy a tűzszakaszban mindenütt azonos hőmérséklet alakul ki. Különösen nagyobb alapterületű tűzszakaszoknál például egyszintes csarnoképületeknél, ahol egy tűzszakasz hossza akár az métert is elérheti ez a feltételezés olyan hatalmas mértékű hőtágulást eredményez, amely a tényleges tűzeseteknél sosem volt mérhető. Ezért a szerkezeti viselkedés pontos elemzéséhez és szimulációjához nagyon fontos, hogy a tűzhatás is kellő pontossággal kerüljön számításba vételre. A legpontosabb lehetőség ma a tűzmodellezés eredményeképpen megállapított hőmérséklet-eloszlás használata. Az ISO tűzhatásgörbe térbeli globális analízis esetén rendkívül konzervatív, a hőmérsékleti hatások következményeit jelentősen túlbecsülő eredményekhez vezet. Az acél tartószerkezetek tervezésére és méretezésére a statikus mérnökök ma korszerű 3D-s számítógépi programokat használnak. A tűzhatásra való méretezés előírásait az Eurocode 3 szabvány erre vonatkozó kötete tartalmazza, ennek alkalmazásával a tartószerkezet-tervező megállapíthatja a szerkezet viselkedését és ellenállását a tűzhatás esetére is. A tartószerkezet állékonyságához a szerkezeti elemek mellett azok csomópontjainak megfelelő ellenállására is szükség van. A végeselemes modellezés segítségével lehetőség nyílik a szerkezeti csomópontok tűzhatás alatti viselkedésének követésére. A csomópontok viselkedését is széleskörű kísérletsorozattal vizsgálták, és megállapították, hogy a csomópontban mérhető elemhőmérsékletek alacsonyabbak, mint a közeli gerendák illetve oszlopok hőmérséklete. A csomóponton belül is eltérően melegednek fel az egyes alkotóelemek, lemezek, csavarok. A tűz hatására létrejövő csomóponti hőmérséklet-eloszlás meghatározása az úgynevezett termikus analízis a végeselemes számítások első lépése. A 7. ábrán látható egy tipikus acélszerkezeti oszlop-gerenda csomópont, csavarozott homloklemezes kialakításban mellette végeselemes modellje. A szerkezeti csomópontot tűzkísérletben vizsgálták, a gázhőmérsékletet az ISO tűzhatásgörbe szerint növelték. A csomópont kiválasztott helyein mérték a szerkezeti elemek hőmérsékletét. 35

8 7. ábra: Homloklemezes acélszerkezeti csomópont és VEM modellje [7] A végeselemes számítás során analízis nemlineáris tranziens analízis alapján számítottuk ki a csomópont hőmérséklet-eloszlását az idő függvényében, amelyet 30 perces tűzhatás esetére a 8. ábra szemléltet. 8. ábra: Hőmérsékletek a csomópontban 30 perces tűzhatásra [6] A számított és a kísérletek során mért hőmérsékleteket a 9. ábrán hasonlítjuk össze. A végesemelemes modellel pontosabban meghatározhatóak a csomóponton belüli hőmérsékletek, mint az Eurocode által javasolt közelítő számítással. 36

9 9. ábra: A gerenda és az alsó csavarsor hőmérsékletei [6] 10. ábra: Csomópont tönkremenetele tűzhatásra [7] Az emelkedő hőmérséklet hatására megváltoznak az acél anyag mechanikai tulajdonságai. A végeselemes szerkezeti analízis alapján meghatározható a csomópont szerkezeti válasza a tűzhatásra: az alakváltozások megnőnek, a teherbírás csökken. A 7. ábrán bemutatotthoz hasonló csomópont tönkremenetelének VEM analízisét mutatja be a 10. ábra, a kísérletben tapasztalt tönkremenetellel (lásd a fotón) megegyező a számítás eredménye. 37

10 5. Összefoglalás A performance-based design, azaz a teljesítmény-alapú tervezés alkalmazásával a tartószerkezetek tűzhatás alatti tényleges viselkedése alapján végezhetjük el a tartószerkezetek tűzvédelmi tervezését. A tűzvédelmi tervező és statikus tervező szoros együttműködésével megvalósítható tervezési folyamat minden lépését ma már korszerű számítógépi programok segítik. Mind a tűzhatás szimuláción alapuló elemzését, mind a tartószerkezet hőmérsékletének és teherbírásának számítását kellő pontossággal elvégezhetjük, ezzel biztosítva a kellő biztonságot. A tartószerkezetek analízisében a csomópontok viselkedését a termikus és a szerkezeti analízist összekapcsoló komplex végeselemes modellek jól alkalmazhatóak. 38

11 Felhasznált irodalom [1] NATURAL FIRE SAFETY CONCEPT - VALORISATION PROJECT ; (CEC Agreement 7215-PA/PB/PC 042; -057; 2001) [2] Fire Safety Of Industrial Hall And Low Rise Building ; (CEC Agreement 7210-PR-378); 2007 [3] Fire Safety Of Industrial Hall And Low Rise Building- valorization project ; RFCS; 2010 [4] MSZ EN :2005 Eurocode 1: A tartószerkezeteket érő hatások 1-2. rész: Általános hatások. A tűznek kitett szerkezeteket érő hatások. [5] MSZ EN :2005 Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése 1-2. rész: Általános szabályok Tervezés tűzterhelésre. [6] B. ZHAO: Mechanikai viselkedés; DIFISEK Project, WP 3 Syllabus ( [7] Erdélyi A,: Acélszerkezetek csomópontjainak méretezése tűzhatásra. Diplomaterv, Konzulens: Dr. Horváth L. BME Hidak és Szerkezetek Tanszék, 2012, [8] Petrás P,: Acél homloklemezes kapcsolat viselkedése tűzhatásra. Diplomaterv, Konzulens: Dr. Vígh L. G.. BME Hidak és Szerkezetek Tanszék,

12 40 BOLYAI SZEMLE KÜLÖNSZÁM