Skúška požiarnej odolnosti podľa uhľovodíkovej teplotnej krivky

1. ÚVOD
   
   
2. Keď stanovujeme požiadavky na požiarnu odolnosť stavebných konštrukcií bežným postupom, máme na mysli požiarnu odolnosť určenú podľa normovej teplotnej krivky. Sú však situácie, kedy táto krivka celkom nevystihuje podmienky pri požiari, alebo inak povedané, skutočné podmienky pri požiari sa nedajú pretransformovať na normovú teplotnú krivku. Takýmto prípadom je požiar horľavých kvapalín, čiže jav typický pre chemický priemysel. Nárast teploty pri horení horľavých kvapalín, najmä v priestore neohraničenom stavebnými konštrukciami, popisuje uhľovodíková (hydrokarbónová) teplotná krivka. Skúška niekoľkých vzoriek oceľových konštrukcií podľa tejto teplotnej krivky sa uskutočnila 9. novembra 2001 v skúšobnom laboratóriu firmy FIRES, s.r.o. v Batizovciach. Preto, že takáto skúška je ojedinelým počinom, oboznámime sa v nasledujúcich riadkoch s vlastnou skúškou, jej výsledkami i s princípmi stanovovania požiarnej odolnosti v špeciálnych prípadoch.
   
   
3. TEPLOTNÉ KRIVKY
   
   
4. Základnou teplotnou krivkou pri štandardnom určovaní požiarnej odolnosti je normová teplotná krivka, ktorá je obrazom mnohých skúšok vykonaných v minulosti. "Normový" požiar predstavovali hranice tvorené drevenými hranolmi pri zabezpečení dodávky primeraného množstva vzduchu (parameter odvetrania F₀ 0,04 m^1/2). Normová teplotná krivka má priebeh vyjadrený rovnicou [1]:
   
   
   T_N = 20 + 345.log(8t + 1),         (1)
   
   kde T_N je normová teplota plynu v skúšobnej peci v °C;
   t (ekvivalentný) čas trvania požiaru = čas trvania skúšky požiarnej odolnosti v minútach.
   
   Túto rovnicu možno nájsť v mnohých predpisoch, normách a publikáciách, pretože je celosvetovo uznávanou štandardnou teplotnou rovnicou. Za všetky uvedieme najzákladnejší dokument zaoberajúci sa požiarnou bezpečnosťou stavieb v Európskej únii, ktorým je Interpretačný dokument Smernice rady 89/109/EHS o stavebných výrobkoch, Základná požiadavka č. 2 - Požiarna bezpečnosť.
   
   Pre špeciálne tepelné namáhania poznáme ďalšie teplotné krivky:
   • krivka pre tlenie (bezplameňové horenie),
   • krivka pre vonkajší požiar,
   • uhľovodíková krivka,
   • krivka pre požiar v tuneli.
   V ďalšom sa budeme zaoberať iba uhľovodíkovou teplotnou krivkou. Jej matematický tvar je uvedený v rovnici (2):
   
   
   T_CH = 20 + 1080.(1 - 0,325e^-0,167t - 0,675e^-2,5t),         (2)
   
   kde T_CH je teplota plynu v skúšobnej peci v °C;
   t (pravdepodobný) čas trvania požiaru = čas trvania skúšky požiarnej odolnosti v minútach.
   
   Táto rovnica je uvedená napr. v STN EN 1363-2 "Skúšanie požiarnej odolnosti. Časť 2: Alternatívne a doplnkové postupy".
   
   Uhľovodíková teplotná krivka (ďalej budeme používať skratku C-H krivka; C = uhlík, H = vodík) má oproti normovej strmší nárast teploty a po dosiahnutí teploty 1100°C sa už ďalej nemení. To značí, že vzorka je pri skúške podľa C-H krivky tepelne namáhaná viac ako pri normovej krivke, hlavne v prvých minútach. Grafické zobrazenie rovníc (1) a (2) je uvedené na obrázku 1:
   
   
   
   Obrázok 1 - Teplotné krivky
   
   
   
5. POŽIARNA ODOLNOSŤ
   
   
6. Požiarna odolnosť stavebných konštrukcií udávaná v dimenzačných tabuľkách výrobcov, prípadne v odbornej literatúre, je spravidla štandardnou požiarnou odolnosťou určenou tepelným namáhaním podľa normovej teplotnej krivky a podľa medzných stavov uvedených v STN 73 0851. To je skutočná požiarna odolnosť stavebných konštrukcií. Táto odolnosť musí byť väčšia, nanajvýš rovnaká ako najnižšia odolnosť požadovaná predpismi PO pri posudzovaní stavby z hľadiska požiarnej bezpečnosti. Požadovaná požiarna odolnosť vychádza z ekvivalentného času trvania požiaru _e [min] pri zohľadnení ďalších podmienok charakteristických pre danú stavbu, napr. počet podlaží, druhy konštrukčných celkov, typy konštrukcií (požiarnodeliace konštrukcie, požiarne uzávery, nosné konštrukcie atď).
   
   Poznámka: Postup podľa výpočtového požiarneho zaťaženia p_v [kg.m^-2] ponecháme stranou, pretože hlavný predmet tohto článku, C-H krivka, je typický pre výrobné stavby.
   
   Ak však posudzujeme stavbu podľa inej teplotnej krivky, ako je normová, máme tým na mysli posudzovanie približujúce sa skutočným pomerom pri požiari. Z pohľadu dĺžky trvania požiaru sú tieto pomery vyjadrené pravdepodobným časom trvania požiaru [min]. Pre prípad namáhania nosných konštrukcií C-H krivkou je pravdepodobný čas trvania požiaru súčasne najnižšou požadovanou požiarnou odolnosťou týchto konštrukcií. Predpisy však môžu taxatívne, reps. alternatívne stanoviť požiadavky na požiarnu odolnosť konštrukcií namáhaných C-H krivkou (tak tomu je v STN 92 0800 i v novej ČSN 65 0201). Je pochopiteľné, že táto požadovaná požiarna odolnosť sa môže porovnať iba so skutočnou požiarnou odolnosťou určenou skúškou podľa C-H krivky.
   
   Treba dôrazne upozorniť, že požadovaná požiarna odolnosť vychádzajúca z podmienok požiaru uhľovodíkov (alebo aj z ľubovoľného parametrického požiaru) sa nemôže porovnávať so skutočnou požiarnou odolnosťou stanovenou podľa normovej teplotnej krivky!
   
   Na záver tejto kapitoly je potrebné ešte poznamenať, že pojem požiarna odolnosť je založený na predpoklade dosiahnutia medzného stavu pozorovanej fyzikálnej veličiny.
   
   
7. MEDZNÉ STAVY
   
   
8. Spomedzi sledovania možných medzných stavov je pre náš sledovaný prípad zaujímavý jediný stav, a to strata nosnosti a stability. Toto kritérium sa v Európe označuje symbolom R(z francúzskeho Résistance) a je tiež uvedené napr. v STN 73 0851. Podľa tejto normy nastáva medzný stav straty nosnosti a stability oceľovej nosnej konštrukcie (nechránenej i chránenej) pri požiarnej skúške nezaťaženej v okamihu dosiahnutia klritickej teploty T_{s krit} v °C vyjadrenej rovnicou (3):
   
   
   T_{s krit} = 723,5.(1 - ?_s/?₀₂)^0,4608,         (3)
   
   kde ?_s je vypočítané skutočné (alebo predpokladané) napätie v posudzovanom priereze v MPa,
   ?₀₂ medza klzu ocele v ťahu v MPa.
   
   V čl. 28 STN 73 0851 sa stanovuje, že ak hodnota s nie je učená, uvažuje sa s kritickou teplotou T_{s krit} = 470°C, ktorá zodpovedá približne pomeru ?_s/?₀₂ = 0,6.
   
   V súvislosti s rovnicou (3) je potrebné uviesť, že:
   • dosiahnutie medzného stavu platí pre nosníky pri požiarnej skúške nezaťažené;
   • pre zaťažené nosníky sa stanovuje dosiahnutie medzného stavu podľa STN 73 0851 meraním priehybu, zvislej deformácie alebo prírastku týchto veličín za časovú jednotku;
   • dosiahnutie medzného stavu podľa STN 73 0851 značí dosiahnutie hranice, za ktorou nastáva deštrukcia konštrukcie.
   
   Podľa starších vydaní ČSN/STN 65 0201 sa na nosné konštrukcie kládli požiadavky požiarnej odolnosti 120 minút iba v prípade, ak by ich deštrukciou bola ohrozená susedná stavba. Iným prístupom je ochrana nosných konštrukcií vlastnej technológie v prípade, ak nesú technologické zariadenie s vysokým požiarnym rizikom (t.j. so stanoveným množstvom horľavých kvapalín). Súčasťou stanovenia je vzdialenosť od tohto nebezpečného zariadenia, do ktorej má nosná konštrukcia vykazovať požiarnu odolnosť. Takýto postup nájdeme napr. v americkom predpise API 2218, ktorý vydal American petroleum institute.
   
   Predpis API 2218 definuje však aj medzný stav, a to kritickou teplotou 1000°F (538°C), pri ktorej nastane deštrukcia konštrukcie. Tento predpis však ďalej uvádza, že dosiahnutie tohto medzného stavu je už za hranicou bezpečnosti. Od nosnej konštrukcie sa vyžaduje, aby neskolabovala pod ťarchou technologického zariadenia počas celého trvania požiaru vrátane fázy chladnutia. Uvádza sa, že tento výsledok môžeme dosiahnuť, ak teplota v nosníkoch nepresiahne 300°C. Pri tejto teplote poklesne nosnosť ocele o cca 15%. Vzťah poklesu nosnosti ocele v závislosti od teploty, je zobrazený na obrázku č. 2:
   
   
   
   Obrázok 2 - Vzťah poklesu nosnosti ocele v závislosti od teploty
   
   
   Teplota 300°C môže byť považovaná tiež za dohodnutý medzný stav. Takúto požiadavku môže mať napr. poisťovňa, ktorej záleží na tom, aby vplyvom požiaru nenastala totálna deštrukcia konštrukcie, t.j. aby škody spôsobené požiarom boli čo najmenšie.
   
   Kritickou teplotou sa zaoberá aj Eurokód 3 (ENV 1993-1-2), a to v čl. 4.2.4. Táto teplota je vyjadrená rovnicou 4.18:
   
   
   ,         (4)
   
   kde _a,crje kritická teplota v °C,
   µ₀ stupeň využitia.
   
   Stupeň využitia je definovaný rovnicou 4.19 v ENV 1993-1-2:
   
   
   µ₀ = E_fi,d /R_fi,d,0         (5)
   
   
   kde E_fi,d je návrhový účinok zaťažení pre požiarnu návrhovú situáciu podľa ENV 1991-2-2 (Eurokód 1),
   R_fi,d,0 je zodpovedajúca návrhová odolnosť oceľ. prvku pre požiarnu návrhovú situáciu v čase 0.
   
   Pre ilustráciu uvedieme niekoľko vybraných kritických teplôt v závislosti od hodnoty µ₀ (Viac hodnôt je uvedených v tabuľke 4.1 v ENV 1993-1-2):
   
   

   µ0 = 0,22		a,cr= 711°C
   µ0 = 0,50		a,cr= 585°C
   µ0 = 0,80		a,cr= 496°C

   
   
   
9. SKÚŠKA POŽIARNEJ ODOLNOSTI
   
   
10. Predmetom skúšky požiarnej odolnosti konanej 9. novembra 2001 v skúšobnom laboratóriu firmy FIRES, s.r.o. v Batizovciach bolo päť nezaťažených oceľových profilov chránených protipožiarnym nástrekom TERFIX s hrúbkou 40 mm. Dva z profilov tvorili stĺpy, tri boli vodorovnými nosníkmi. Okrem týchto vzoriek bola do steny pece zabudovaná oceľová platňa s rovnakým nástrekom ako nosníky a z vonkajšej strany tepelne izolovaná minerálnou vlnou s cieľom získať informatívne údaje o teplotnej stabilite nástreku na väčšej ploche a získať údaje o raste teploty na odvrátenom povrchu tejto plochy. Nosníky tvorili profily U, I a L rôznych veľkostí a rôznych kombinácií s pomermi O/F od 123 m^-1 do 208 m^-1 tak, aby vystihovali skutočné pomery na jestvujúcej stavbe, kde sa realizovalo zvýšenie ich požiarnej odolnosti nástrekom. Dve zo vzoriek boli ohrievané z troch strán, ostatné zo štyroch. Základná požiadavka objednávateľov skúšky bola dosiahnuť teploty na povrchu profilov 300°C a ďalej, ak to bude únosné, pokračovať v skúške až po teploty 474°C (?_s/?₀₂ = 0,6), 526°C (?_s/?₀₂ = 0,5) a 572°C (?_s/?₀₂ = 0,4).
    
    Jediným účelom skúšky bolo stanovenie požiarnej odolnosti (dosiahnutie medzných stavov) pri namáhaní vzoriek C-H krivkou. V tejto súvislosti skúška namáhania C-H krivkou si vyžaduje o.i. aj dostatočné technické vybavenie skúšobnej pece. Z obrázka č. 1 okrem priebehu teplôt môžeme nepriamo odčítať aj množstvo tepla potrebného na dosiahnutie týchto teplôt. Toto teplo je úmerné ploche pod príslušnou krivkou. Vidno, že množstvo tepla potrebného na skúšku podľa C-H krivky je relatívne veľké a dá sa dosiahnuť iba potrebným množstvom horákov a ich správnym rozmiestnením v stenách pece. Skúšobná pec vo FIRES, s.r.o. tejto podmienke vyhovuje, o čom svedčí graf na obrázku č. 3, v ktorom je zobrazená C-H krivka a priemerné teploty v peci počas požiarnej skúšky:
    
    
    
    Obrázok 3 - Priebeh teplôt v skúšobnej peci
    
    
    Počas skúšky sa ukázalo, že rast teplôt na povrchu oceľových profilov je priaznivý a dosiahnutie teplôt 572°C sa v niektorých prípadoch dá očakávať za niekoľko hodín. Z tohto dôvodu bola skúška ukončená po 240 minútach.
    
    Pre ilustráciu uvedieme graf priebehu priemerných teplôt na povrchu zvislého nosníka (stĺpu) z profilov 2xU s hodnotou O/F = 125 m^-1.
    
    
    Obrázok 4 - Priebeh teplôt na povrchu nosníka
    
    
    Z obrázka 4 (resp. presne z tabuľky v protokole o skúške) sa dajú odčítať časy prislúchajúce zvoleným kritickým teplotám nasledovne:
    
    

    Teplota Ts krit [°C]	300	474	526	572
    Čas [min]	124	159	170	180

    
    
    Je zaujímavé uviesť, že teploty na povrchu oceľovej platne chránenej nástrekom PORFIX nepresiahli do ukončenia skúšky (240 minút) hodnotu 500°C. Predpokladá sa, že na to mal veľký vplyv odvod tepla z veľkej plochy dosky do okolia, ktoré malo teplotu cca 20°C.
    
    Uvedené výsledky nie je možné porovnať s výsledkami skúšok vykonaných podľa normovej teplotnej krivky, pretože takéto skúšky sa s podobnými zostavami v posledných niekoľko rokoch nekonali a staršie skúšky nie sú dostatočne signifikantné
    
    
11. REFERENČNÉ HODNOTY POŽIARNEJ ODOLNOSTI
    
    
12. Pre protipožiarne nástreky TERFIX vypracoval VÚPS Praha, pracovisko Veselí nad Lužnicí v r. 1986 dodnes platnú dimenzačnú tabuľku, ktorej verziu upravenú pre hrúbku nástreku 40 mm uvádzame v nasledujúcej podobe:
    
    

    hrúbka nástreku 40 mm                                         (Ts krit = 470°C)
    O/F [m-1]	50	100	150	175	200	250	300	450
    Požiarna odolnosť [min]	> R 180	R 180	R 120	R 120	R 120	R 90	R 90	R 60

    
    
    Pri pohľade na tabuľku vidno, že požiarne odolnosti boli stanovené iba pre kritérium R a že nie sú závislé od pomeru ?_s/?₀₂, tzn., že boli (v súlade s ČSN/STN 73 0851) stanovené pre pomer ?_s/?₀₂ = 0,6, resp. pre T_{s krit}= 470°C. Dnes sa však stretávame s dimenzačnými tabuľkami, v ktorých je zahrnutý aj vplyv pomeru ?_s/?₀₂. Všetky bežne dostupné dimenzačné tabuľky sú vypracované pre namáhanie skúšobných vzoriek normovou teplotnou krivkou.
    
    
13. ZÁVER
    
    
14. Skúška jednoznačne splnila svoj cieľ tým, že sa dokázalo, že požiadavka stanoviť požiarnu odolnosť aj podľa inej ako normovej teplotnej krivky sa zakladá na reálnych možnostiach skúšobne. Uskutočnením merania podľa C-H krivky sa dokázalo, že v SR sme schopní vykonať skúšku požiarnej odolnosti nosných oceľových konštrukcií tepelne namáhaných pri požiari horľavých kvapalín. Pre špecialistov PO však nastáva situácia, keď sú nútení špeciálne stanoviť požadovanú požiarnu odolnosť konštrukcií pri požiari horľavých kvapalín. Tento príspevok ďalej poukázal na dôležitosť určenia, resp. dohody o kritickej teplote T_{s krit}.
    
    Z pochopiteľných dôvodov ochrany objednávateľov popisovanej skúšky podľa C-H krivky nie je možné uviesť v tejto práci kompletné výsledky požiarnych odolností odskúšaných profilov. Môžeme však konštatovať, že nie je možné ani len predbežne použiť bežnú dimenzačnú tabuľku požiarnych odolností nástreku, ak máme pre posudzovanú konštrukciu stanoviť požiarnu odolnosť podľa C-H krivky.

Literatúra:

[1] Smernica Rady 89/106/EHS o stavebných výrobkoch so zapracovanými zmenami podľa Smernice Rady 93/68/EHS

[2] Interpretačný dokument k Smernici Rady 89/106/EHS o stavebných výrobkoch - Základná požiadavka č. 2 "Požiarna bezpečnosť"

[3] Seidl,J. et al.: Tabulky O/F (účelová publikácia): Praha 1995

[4] Seidl,J. et al.: Katalog materiálů a konstrukcí pro požární ochranu staveb (účelová publikácia): Praha: 1. vydanie 1999

[5] ČSN 65 0201 Hořlavé kapaliny. Prostory pro výrobu, skladování a manipulaci

[6] STN 73 0851 Stanovenie požiarnej odolnosti stavebných konštrukcií

[7] STN 92 0800 Požiarna bezpečnosť stavieb. Horľavé kvapaliny

[8] EN 1363-1 Skúšanie požiarnej odolnosti. Časť 1: Základné požiadavky

[9] EN 1363-2 Skúšanie požiarnej odolnosti. Časť 2: Alternatívne a doplnkové postupy

[10] EN 1993-1-2 Eurokód 3. Navrhovanie oceľových konštrukcií. Časť 1-2: Všeobecné pravidlá. Navrhovanie konštrukcií na účinky požiaru

[11] API 2218 Fireproofing Practices in Petroleum and Petrochemical Processing Plants

[12] Protokol o skúške č. FIRES FR 104/01 N

[13] Klasifikácia požiarnej odolnosti výrobku - identifikačné číslo: FIRES CR-008/01