Díky stále pokročilejším metodám máme nyní k dispozici mnohem více způsobů, jak ověřit předložený návrh za jiných než běžných podmínek, například v případě požáru. Již není nutné používat zjednodušené nebo tabulkové metody, které dříve přinášely nepřesné a příliš konzervativní výsledky. Nyní je možné podrobit návrh včetně detailů pokročilé analýze. Aplikace IDEA StatiCa Connection nabízí výpočet požární odolnosti pro normy včetně požárního výpočtu (EN/AISC).

A co je na tom všem nejlepší? Není to vůbec složité, pojďme si toto téma probrat.

Jak přistupovat k návrhu požádní odolnosti?

Pokud se bavíme o návrhu požární odolnosti, můžeme využít několik metod

• Tabulková metoda
• Zjednodušený návrh (ověření jednotlivých prvků při normální teplotě)
• Pokročilý návrh (ověření včetně numerického výpočtu požární odolnosti spojů)

V zásadě se dosud používaly zjednodušené metody, a to buď tabulková metoda, nebo zjednodušený návrh s analytickým nebo numerickým přístupem, ale pouze pro jednotlivé prvky vystavené normovým teplotám. Výpočet požární odolnosti ocelových spojů se vůbec nepoužíval. Zjednodušená metoda byla použita na základě úvahy, že spoje mají více materiálu a zahřívají se pomaleji než ostatní prvky. To vedlo k problému s bezpečností a také k ekonomické neefektivitě.

Jak se s tím popasujeme? Nabízí se snadné řešení: provést řádnou kontrolu. Pokročilý návrh při zvýšených teplotách může tyto nedostatky zakrýt. To je nezbytné zejména u budov většího významu, jako jsou letiště, stadiony, nemocnice atd. A co dál? Máme možnost provést numerický výpočet na zvýšenou teplotu nejen pro pruty, ale i pro spoje!

Podívejme se na princip výpočtu použitý v programu IDEA StatiCa a na postup navrhování ocelových spojů obecně.

Podstata výpočtu

Výpočet požární odolnosti je založen na třídě požární odolnosti a požární křivce.

První výstup je znám ze specifikace projektu. Požární třída je výstup, který je obvykle součástí požární dokumentace schválené hasičským záchranným sborem. Udává dobu, kterou musí konstrukce vydržet, aby všichni mohli bezpečně opustit budovu před jejím zřícením. Tato doba se může pohybovat od 15 do 240 minut (R15 až R240) a bude ovlivněna mnoha parametry, jako je funkce a velikost budovy, počet podlaží, umístění východů a mnoho dalších. V praxi to znamená, že můžete navrhnout budovu, kterou bude obtížnější opustit, ale musí vydržet až 4 hodiny, nebo se stavba může zřítit po 15 minutách, pokud ji lze opustit dostatečně rychle. Nezapomeňte však, že toto nezáleží na vás, statikovi. Tyto záležitosti má na starosti stavební úřad, který hlídá pravidla společně s hasičským záchranným sborem.

Jako další parametr je třeba zvolit požární křivku, která zobrazuje proces hoření, jinými slovy zahřívání vzduchu v průběhu času. Ve skutečnosti by křivka začala klesat, jakmile by již nebylo co spalovat. Pro účely návrhu však byla na základě testů vytvořena umělá křivka, která byla nadsazena tak, aby poskytovala konzervativní výsledky. V aplikaci IDEA StatiCa si můžete vybrat z několika křivek podle Eurokódu (ISO 834/norma požáru) nebo AISC (ASTM E119), ale také ze speciálních křivek pro rychlejší šíření požáru, například uhlovodíkové křivky používané pro ropné plošiny, lodě nebo průmyslové závody.

Na základě typu požární křivky a dalších parametrů materiálu a rozměrů vypočítá software přírůstkovou metodou teplotu jednotlivých prvků (desek) v určitém čase podle požární třídy. Teplota šroubů a svarů se bere podle žhavější připojené desky. Automatický výpočet desky je brán podle platných norem a je možné určit, zda je použita protipožární ochrana, či nikoliv. Současně je zachována i možnost ručního zadání teploty jednotlivých prvků.

Podle teploty prvků je pak určena degradace materiálu, a tedy i součenitel, který snižuje vlastnosti materiálu. Posudky plechu, šroubů a svarů jsou pak stejné jako u klasické analýzy napětí a deformací, ale používají se redukované hodnoty.

Podívejte se, co jsme získali

Následující krátká ukázka výsledků analýzy požární odolnosti v programu IDEA StatiCa Connection vám přiblíží chování spoje za různých podmínek a aplikaci teorie.

Nejprve zkontrolujeme pomocí analýzy napětí a deformace, zda spoj vyhovuje.

Pak jsme vytvořili kopii a nastavili analýzu požární odolnosti. V nastavení jsme zvolili nejnižší třídu požární odolnosti R15 a standardní požární křivku podle Eurokódu. Záměrně nastavíme styčník bez požární ochrany.

Na zobrazených výsledcích vidíme, jak se jednotlivé komponenty bez požární ochrany během 15 minut zahřejí a jak to ovlivní vlastnosti materiálu, a tím i únosnost testovaného spoje. Je vidět, že za pouhých 15 minut dosáhla teplota u některých komponentů více než 700 stupňů Celsia.

Přidáním protipožární ochrany dosáhneme okamžitě zcela jiných hodnot, zejména za tak krátkou dobu. Plechy se nemají čas zahřát a degradace materiálu nemá tak velký význam.

Při zvýšení třídy na R90, a tedy při prodloužení doby, po kterou musí konstrukce odolávat požáru, se opět dostáváme na teploty kolem 700 stupňů Celsia. Díky protipožární ochraně je však v prvním případě dostatek času na evakuaci.

Pomocí numerického modelu jsme byli schopni provést toto jednoduché srovnání různých případů během několika minut. Z výsledků lze také snadno vyčíst, která součást bude pravděpodobně nejslabším místem konstrukce.

Závěrem

Jak jste viděli, navrhování s ohledem na účinky požáru nemusí být takový problém. IDEA StatiCa vám pomůže navrhnout konstrukci, která bude bezpečná a zároveň hospodárná. Není třeba používat zastaralé konzervativní metody nebo se výpočtům zcela vyhýbat.

Kromě požární odolnosti v IDEA StatiCa Connection nabízíme také řešení pro kontrolu všech prvků v IDEA StatiCa Member.

Více teorie najdete ve znalostní databázi v článku Požární posouzení nebo se podívejte na verifikační případy, které provedl profesor Wald z ČVUT.