Modelowanie rozwoju temperatury w konstrukcji w warunkach pożaru

Zgodnie z zapisami § 207.1. warunków technicznych [1] budynek powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby w razie wystąpienia pożaru zapewnić zachowanie nośności konstrukcji przez określony czas. Zapis ten jest zgodny z wymaganiami zapisanymi w dyrektywie CPR304/2011 [2] dotyczącej wyrobów budowlanych, dla której Eurokody są dokumentami odniesienia w zakresie wykazania zgodności z wymaganiami dyrektywy.

Projektowanie według Eurokodów jest dzisiaj powszechną praktyką. Dlatego, omawiając możliwości modelowania oddziaływań termicznych na konstrukcję, będziemy konsekwentnie odnosić się do zapisów Eurokodów. Modelowanie rozwoju temperatury w konstrukcji w warunkach pożaru jest istotne dla obliczenia odporności ogniowej elementów konstrukcji.

Procedura projektowania konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe przedstawiona w Eurokodzie odzwierciedla rzeczywisty przebieg procesów fizycznych właściwych budynkom w pożarze. Zawiera: analizę przebiegu pożaru, przepływu ciepła do i wewnątrz konstrukcji, obliczenia mechanicznego zachowania konstrukcji. Bez względu na to, jak prostymi czy skomplikowanymi modelami obliczeniowymi się posługujemy, analiza pracy konstrukcji w pożarze standardowo przebiega według schematu przedstawionego na rys. 2.

Przeczytaj również: Warunki termiczne w hali a bezpieczeństwo pracy

Model przebiegu pożaru

Posiadając informacje na temat obiektu, budujemy model pożaru; tworzymy model obliczeniowy konstrukcji, a następnie łączymy je za pomocą modelu przepływu ciepła. Ważną kwestią jest dobranie scenariuszy pożarowych, które będą najbardziej niekorzystne dla konstrukcji, uwzględniając prawdopodobieństwo ich wystąpienia. Dobór scenariuszy pożarowych może być oparty na modelu obliczeniowym konstrukcji. Jednak najczęściej definiując scenariusze pożarowe, opieramy się na własnych doświadczeniach i wiedzy na temat sposobu pracy konstrukcji.

Pomimo że natura rozwiązuje poruszane w tym artykule problemy w czasie rzeczywistym, inżynierowie muszą posiłkować się często czasochłonnymi analizami i obliczeniami opartymi na modelach obliczeniowych. Zestawienie modeli obliczeniowych służących analizie przebiegu pożaru w budynku przedstawiono na rys. 1.

Wybór podejścia obliczeniowego zależy od stopnia skomplikowania zadania i celów projektowych. W praktyce o wyborze konkretnego podejścia decydują kwestie finansowe i/lub zwykła konieczność. Czasem zainwestowanie w bardziej zaawansowane, ale dokładne analizy skutkuje oszczędnościami w wykonawstwie. Innym razem analizowana konstrukcja mieści się poza granicami stosowalności metod uproszczonych i danych tabelarycznych.

Przeczytaj także: Bezpieczeństwo i higiena pracy to kluczowe zagadnienia w branży budowlanej

Podstawy fizyczne z zakresu przekazywania ciepła

Istnieją trzy podstawowe mechanizmy przekazywania ciepła: konwekcja, promieniowanie i przewodzenie. Intuicyjnie wszystkie te trzy mechanizmy są łatwe do rozróżnienia, co pokazano na rys. 3.

Energia cieplna w konstrukcji, opisywana jako temperatura, wymieniana jest ze środowiskiem zewnętrznym poprzez konwekcję, a także promieniowanie na powierzchniach. Należy pamiętać, że w pożarach mamy do czynienia z obustronną wymianą energii, tzn. ciepło jest dostarczane do konstrukcji z pożaru, ale ciepło jest również rozprzestrzeniane na powierzchniach zewnętrznych przegród do atmosfery lub innych stref pożarowych. Proces pozyskiwania i transportu ciepła w ciele stałym opisuje równanie różniczkowe:

gdzie:

funkcja θ(t, x, y, z) opisuje rozwój temperatury w czasie t i przestrzeni kartezjańskiej, x, y, z; ḣ (t, x, y, z) określa ilość energii dostarczanej do ciała stałego – tzw. strumień ciepła, α to dyfuzyjność termiczna materiału α = λ/c_pρ (przy czym λ to przewodność cieplna materiału, c_p to ciepło właściwe, a ρ – gęstość materiału).

Przeczytaj również: Mocowanie instalacji elektrycznej z odpornością ogniową

Galeria

Zobacz więcej