Acélszerkezetek tűzvédelme – az optimális passzív tűzvédelem tervezése

Szerző: Szakál Regina tartószerkezeti tervező, tűzvédelmi szakmérnök, Mercor Dunamenti Zrt.

 

BEVEZETÉS

Az Országos Tűzvédelmi Szabályzat követelményeit kielégítő műszaki megoldásokat tartalmazó Tűzvédelmi Műszaki Irányelv folyamatos tematikus fejlődésével egyre nagyobb igény van arra, hogy az acélszerkezetek passzív tűzvédelme kézzelfogható és kellőképpen pontos módon megoldható legyen, amihez elengedhetetlen a szerkezeti elemek egyedi kritikus hőmérsékletének ismerete. Egyrészt így lehetséges szakszerű (nem alul vagy túlbecsült mértékű) védelemmel ellátni az épületeket, másrészt gazdaságossági kérdés is, hogy minden elem csupán a szükséges védelmet kapja. Felmerül azonban az a kérdés, milyen kritikus hőmérséklet adható meg olyan esetben, amikor nem készül egyedi tartószerkezeti vizsgálat, ugyanis jelenleg az a tapasztalat, hogy a tartószerkezeti tervezők nincsenek felkészítve ennek az elvégzésére, illetve a szoftverek között is csak kis számban érhető el a tűzbeli mechanikai vizsgálati modul. A következő bemutatás csupán gondolatébresztés annak érdekében, hogy a felszínre kerülhessen, milyen hatással van a kritikus hőmérséklet a tűzvédelmi tervezésre és a védelem kialakítására, illetve hogy milyen tényezők módosítják ennek a hőmérsékletnek az értékét.

ACÉL MECHANIKAI REAGÁLÁSA MAGAS HŐMÉRSÉKLET HATÁSÁRA

 

1. ábra: Mechanikai tulajdonságok csökkentő tényezője Eurocode alapján; [2]

 

Az acél jó hővezető képessége miatt tűzhatás következtében gyorsan átmelegszik és a normál hőmérsékleten igen kedvező mechanikai jellemzői számottevően csökkennek. Az acélanyag 200°C felett lágyulni kezd, majd szilárdsági jellemzői 400-600°C közötti tartományban esnek a legmeredekebben és mire eléri a 700°C-ot, a folyáshatára már csupán a normál hőmérsékleti érték 20%-a. A tűzeseti anyagjellemzők az Eurocode 3 szabvány [2] [3] által megadott hőmérsékletfüggő redukciós tényezőkkel számítandóak (1. ábra).

Egy adott szerkezeti elem tűzállósága a kritikus hőmérsékletével jellemezhető, amelynél az acélelem elveszíti teherbírását a csökkentett mechanikai hatásokkal szemben. A felmelegedés mértékét jelentősen befolyásolja a szerkezeti elem geometriája, azaz szelvénytényezője, amely az adott szerkezeti elem hőhatásának kitett kerületének és területének hányadosa (A_m/V az angolszász vagy U/A jelölés a német terminológiában). A kritikus hőmérséklet és a szelvénytényező függvényében határozható meg adott tűzállósági határértékre a szükséges hőszigetelő réteg vastagsága. Minél magasabb értékű a profiltényező, annál karcsúbb a szerkezeti elem, annál könnyebben felmelegszik és ebből következően annál nagyobb az alkalmazandó rétegvastagság, amely ezzel szemben megvédi. Illetve megállapítható, hogy minél magasabb a megengedett kritikus hőmérséklet, annál vékonyabb tűzvédő rétegre van szükség. Tehát kiemelten fontos a pontos kritikus hőmérséklet ismerete annak érdekében, hogy optimális védelem készüljön az adott szerkezetre. A jelenleg érvényben lévő vizsgálati szabványok, az MSZ EN 13381-4 és -8 lehetőséget is adnak erre, ugyanis 9 kritikus hőmérsékletet definiálnak 350-750°C-ig, ellentétben a régi MSZ 14800-1 szabvánnyal. Ez utóbbi egyetlen kritikus hőmérsékletet, az 500°C-ot használta minden nyitott szelvényre, amelynek minden lemezvastagsága elérte az 5mm-t, és ehhez kapcsolódóan határozta meg az adott tűzállósági követelmény kielégítéséhez szükséges tűzvédelmi bevonat vastagságát. Ehhez képest jelenleg egyértelműen bonyolultabb a rétegvastagság meghatározása, azonban segíti a szakszerű, versenyképes megoldásokat.

 

KRITIKUS HŐMÉRSÉKLET

A kritikus hőmérséklet számításához elengedhetetlen a tartó terhelésének és statikai vázának, egyszóval a keletkező igénybevételek ismerete. Az Eurocode 1 szabvány [1] [3] azt feltételezi, hogy kis valószínűséggel éri az épületet egyidejűleg tűzhatás és rendkívül magas egyéb hatások, ugyanis egy tűz az épület feltételezett élettartamához hasonlítva elenyésző rövidségű (50 éves élettartam összevetve 30-60 perccel például), így áll elő a rendkívüli tűzhatás alacsonyabb teherszintje (2. ábra). Az állandó terhek tűzeset során is jelen vannak, az esetleges terhek pedig a vizsgált szerkezet rendeltetésétől (tető, közbenső födém funkciója) függően csökkentettek. Az állandó terheket biztonsági tényezőjük nélkül kell figyelembe venni, de teljes alapértéküknek megfelelően. Az esetleges terhek esetén pedig, szintén biztonsági tényező nélkül, azonban alapértéküket a rendkívüli helyzetben valószínűsített jelenlétük és több hatás együttállásának valószínűsége szerint csökkentve vesszük számításba.

 

2. ábra: A teherbírás leépülése és a tűzbeli hatás

 

Például tűz esetén egy irodaépület közbenső födéméről feltételezzük, hogy a szinten tartózkodók már kimenekültek, a berendezések, gépek maradnak csupán a födém terheként, így a hasznos terhek felét kell számításba venni a teherkombináció összeállításakor. Egy másik jellegzetes példa az ipari csarnok tetőgerendája, ahol nem kell figyelembe venni egyidejűleg a szél- és hóterhet, ezek közül csak az egyik hatása érvényesül és az is csökkentett, 20%-os értékével. Azonban nem csupán e csökkentés mértékétől függ, hogy mennyire épülhet le az acél teherbírása. Kiemelten fontos az is, hogy a teljes terhelés milyen arányban oszlik meg az állandó, azaz a nem csökkenthető és a csökkenthető változó terhek között. Vegyük az előbbi két szemléletes terhelési példát: az acélgerendákkal megtámasztott vasbeton födémet, amelyen irodai funkció működik, illetve egy könnyűszerkezetes fedéssel ellátott ipari csarnok tetőgerendáját. Az előbbi esetben az állandó terhek még nagyobbak is lehetnek, mint a változó hatás mértéke. Ilyenkor az 50%-os csökkentéssel nagyjából a harmadával lesz alacsonyabb a terhelés, mint normál hőmérsékleten, így a csökkentő tényezők alapján látszik (1. ábra), hogy nagyjából 500^oC körül lesz a kritikus hőmérsékletük. Míg az utóbbi esetben a mértékadó hóteher 2-3-szor nagyobb, mint egy trapézlemezes vagy szendvicspaneles tetőfedés által kialakuló önsúly jellegű teher. Ráadásul a súlyozásnál nagyobb részben számító hóterhet nagyobb mértékben is csökkenthetjük, így nagyjából az eredeti teher harmada működik a szerkezeten rendkívüli tűzhatás alatt. Ez már magasabb kritikus hőmérsékletet eredményez, körülbelül 600^oC igazolható ebben az esetben.

 

ÖSSZEFOGLALÁS, ÉRTÉKELÉS

A számítási eljárások részletezésétől eltekinthetünk, az általuk kapott eredmények tendenciái és összefüggései az érdekesek. A fenti két, egymástól eltérő, azonban gyakran előforduló eseteket vizsgáltuk különböző befogási viszonyokkal és geometriával (1. táblázat). A gyakorlati és e számítások tapasztalatai alapján elmondható, hogy a régi szabvány 500^oC-os közelítése a kritikus hőmérsékletre a biztonság javára, de egészen jól lefedi, hogy milyen mértékig engedhető a szerkezet felmelegedése. Ennél alacsonyabb hőmérsékletet csak a kimagaslóan karcsú elemeknél kaptunk, amelyek normál hőmérsékleten sem gazdaságosak, nagyon ritkán használatosak ebben a formában. A vizsgált gerendatípusok jellemző tönkremenetele a stabilitásveszés kifordulásra, azonban további vizsgálatokat igényelnek a nyomott oszlopok, amelyek kihajlási tönkremenetele jellemző, illetve olyan szerkezeti elemek, amelyeknél ezek interakciója is felléphet. Tehát az, hogy milyen magas hőmérsékleten megy tönkre az adott szerkezeti elem, nagyban függ a befogási viszonyoktól, a működő igénybevételektől és az elem karcsúságától is. Emellett fontos ismét kiemelni, hogy az állandó terhek és a változó hatások egymáshoz viszonyított aránya is rendkívül fontos, mint az látszik az épület funkciója szerinti jelentős hőmérsékleti különbségekben.

 

1.táblázat: Kritikus hőmérsékletek funkció, karcsúság és statikai váz függvényében

 

A táblázat (1. táblázat) ugyan csak a végeredményeket mutatja, de fontos megfigyelése volt a készítéséhez szükséges számításoknak, hogy milyen mértékben befolyásolja a normál hőmérsékleti tervezés a tűzbeli tartalékokat a tartóban. Normál hőmérsékleti körülmények között 80 és 99% közötti kihasználtságok jellemzőek tervezéskor, azonban tűzhatás során ez a közel 20%-os mozgástér akár 40^oC-os különbséget módosíthat a kritikus hőmérséklet értékében. Közelítően 5%-os kihasználtság növekedés azt eredményezi, hogy a szerkezeti elem 10^oC-kal alacsonyabb hőmérsékleten megy tönkre.

Összegezhető tehát, hogy a kritikus hőmérséklet számos tényezőtől, számos módon függ. A fenti bemutatás ugyan nem teljes körű, nem vizsgál minden egyes terhelési esetet, szelvénytípust és funkciót, azonban jól mutatja, hogy mennyire érzékeny ezekre a tényezőkre az eredmény. Tehát nehezen meghatározható egy olyan hőmérséklet, amely minden esetben használható és egyben gazdaságos megoldást eredményez, ez igaz akár esetekre bontva is, hiszen számos igénybevételi esetet több funkció és geometria mellett kellene definiálni, ami viszont az eredmények felhasználását, értelmezését nehezítené. Nyilvánvaló, hogy szükség van egy kiindulási alapot biztosító közelítésre, de ettől függetlenül minden szerkezet esetében kiemelten fontos az optimális védelem érdekében a kritikus hőmérséklet egyedi számítása.

Felhasznált irodalom:

• MSZ EN 1991-1-2:2005: Eurocode 1: A tartószerkezetet érő hatások. 1-2.rész: Általános hatások. A tűznek kitett szerkezetet érő hatások
• MSZ EN 1993-1-2:2005: Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése. 1-2.rész: Általános szabályok. Tervezés tűzterhelésre
• Balázs L.GY., dr. Horváth L., Kulcsár B., dr. Lublóy É., Maros J., Mészöly T., Sas V., dr. Takács L., dr. Vígh L.G.: Szerkezetek tervezése tűzteherre az MSZ EN szerint; Magyar Mérnöki Kamara Tartószerkezeti Tagozat; 2010

Megjelent a MAGÉSZ Acélszerkezetek magazin 2016/II. számában