Dzięki coraz bardziej zaawansowanym metodom mamy teraz znacznie więcej sposobów weryfikacji proponowanego projektu w warunkach innych niż normalne, na przykład w przypadku pożaru. Nie ma już potrzeby stosowania uproszczonych metod ani metod tablicowych, które dawały niedokładne i nadmiernie zachowawcze wyniki. Możliwe jest teraz poddanie projektu, wraz z jego detalami, zaawansowanej analizie. IDEA StatiCa Connection oferuje obliczenie odporności ogniowej zgodnie z normami, w tym obliczenia pożarowe (EN/AISC). 

Co więcej, nie jest to takie skomplikowane. Wyjaśnijmy sobie ten temat.

Jak podejść do projektowania pożarowego

Mówiąc o projektowaniu pożarowym, mamy do dyspozycji kilka metod:

• Metoda tablicowa
• Projektowanie uproszczone (weryfikacja pojedynczych elementów w normalnej temperaturze)
• Projektowanie zaawansowane (weryfikacja obejmująca numeryczne obliczenie odporności ogniowej połączeń)

Do tej pory stosowano metody uproszczone – albo Metodę tablicową, albo Projektowanie uproszczone z podejściem analitycznym lub numerycznym, ale wyłącznie dla pojedynczych elementów narażonych na standardowe temperatury. Obliczanie odporności ogniowej połączeń stalowych nie było w ogóle stosowane. Projektowanie uproszczone opierało się na podstawowym założeniu, że połączenia mają więcej materiału i nagrzewają się wolniej niż pozostałe elementy. Prowadziło to do luk w bezpieczeństwie, a także do nieefektywności ekonomicznej.

Jak sobie z tym poradzić? Istnieje proste rozwiązanie – przeprowadzić właściwe sprawdzenie normowe. Projektowanie zaawansowane w podwyższonych temperaturach może wyeliminować te słabości. Jest to szczególnie istotne w przypadku budynków o większym znaczeniu, takich jak lotniska, stadiony, szpitale itp. Co więcej, mamy możliwość przeprowadzenia obliczeń numerycznych dla podwyższonej temperatury nie tylko dla elementów, ale również dla połączeń!

Przyjrzyjmy się zasadzie obliczeniowej stosowanej w IDEA StatiCa oraz procedurze projektowania połączeń stalowych w ogólności.

Podstawy obliczeń 

Obliczenie odporności ogniowej opiera się na klasie odporności ogniowej (zwanej również oceną ogniową) oraz krzywej pożarowej.

Pierwsze dane wejściowe są znane ze specyfikacji projektu. Klasa odporności ogniowej jest wynikiem, który zazwyczaj stanowi część dokumentacji pożarowej zatwierdzonej przez straż pożarną. Określa ona czas, przez jaki konstrukcja musi wytrzymać, aby wszyscy mogli bezpiecznie opuścić budynek przed jego zawaleniem. Czas ten może wynosić od 15 do 240 minut (R15 do R240) i zależy od wielu parametrów, takich jak funkcja i wielkość budynku, liczba kondygnacji, lokalizacja wyjść i wiele innych. W praktyce oznacza to, że można zaprojektować budynek, który będzie trudniejszy do opuszczenia, ale musi wytrzymać do czterech godzin, lub że konstrukcja może ulec zawaleniu po 15 minutach, jeśli można ją wystarczająco szybko opuścić. Pamiętaj jednak, że to nie inżynier konstruktor o tym decyduje – decyzja należy do wydziału budowlanego i straży pożarnej.

Jako kolejny parametr należy wybrać krzywą pożarową, która przedstawia przebieg procesu spalania, innymi słowy – nagrzewanie powietrza w czasie. W rzeczywistości krzywa zaczęłaby opadać, gdy tylko nie byłoby już nic do spalenia. Jednak dla celów projektowych stworzono sztuczną krzywą opartą na badaniach, zawyżoną w celu uzyskania wyników zachowawczych. W IDEA StatiCa można wybierać spośród kilku krzywych zgodnych z Eurokodem (ISO 834/standardowa krzywa pożarowa) lub AISC (ASTM E119), a także krzywych specjalnych dla szybszego rozprzestrzeniania się ognia, takich jak krzywa węglowodorowa stosowana dla platform wiertniczych, statków lub zakładów przemysłowych.

Na podstawie rodzaju krzywej pożarowej oraz innych parametrów materiałowych i wymiarów oprogramowanie oblicza temperaturę poszczególnych elementów (blach) w określonym czasie, zgodnie z klasą odporności ogniowej, metodą przyrostową. Temperatura śrub i spoin przyjmowana jest zgodnie z cieplejszą z połączonych blach. Automatyczne obliczenie blachy wykonywane jest zgodnie z obowiązującymi normami, z możliwością określenia, czy stosowana jest ochrona przeciwpożarowa, czy nie. Jednocześnie zachowana jest możliwość ręcznego wprowadzania temperatury poszczególnych elementów.

Na podstawie temperatury komponentów wyznaczana jest następnie degradacja materiału, a tym samym współczynnik redukujący właściwości materiału. Sprawdzenia normowe blach, śrub i spoin są następnie takie same jak w klasycznej analizie naprężeń i odkształceń, lecz z zastosowaniem wartości zredukowanych.

Zobacz, co otrzymujesz

Zapoznaj się z poniższą krótką demonstracją wyników analizy odporności ogniowej w IDEA StatiCa Connection, aby zobaczyć, jak połączenie zachowuje się w różnych warunkach i jak stosowana jest teoria.

Najpierw przeprowadzę analizę naprężeń i odkształceń, aby sprawdzić, czy złącze spełnia wymagania. 

Następnie tworzę kopię i konfiguruję analizę odporności ogniowej. W ustawieniach wybieram najniższą klasę odporności ogniowej, R15, oraz standardową krzywą pożarową zgodnie z Eurokodem. Celowo skonfiguruję złącze bez ochrony przeciwpożarowej.

W wyświetlonych wynikach możemy zobaczyć, jak poszczególne komponenty będą się nagrzewać bez ochrony przeciwpożarowej w ciągu 15 minut oraz jak wpłynie to na właściwości materiału, a tym samym na nośność badanego złącza. Widać, że już po 15 minutach temperatura niektórych komponentów przekroczyła 700 °C. 

Po zastosowaniu ochrony przeciwpożarowej natychmiast uzyskujemy zupełnie inne wartości, szczególnie przy tak krótkim czasie. Blachy nie mają czasu na nagrzanie się, a degradacja materiału nie stanowi problemu.

Po zwiększeniu klasy do R90, a tym samym wydłużeniu czasu, przez który konstrukcja musi wytrzymać działanie ognia, ponownie osiągamy temperatury rzędu 700 °C. Jednak przy zastosowaniu ochrony przeciwpożarowej w pierwszym przypadku jest wystarczająco dużo czasu na ewakuację.

Za pomocą modelu numerycznego byliśmy w stanie przeprowadzić to proste porównanie różnych przypadków w ciągu kilku minut. Z wyników łatwo również odczytać, który komponent prawdopodobnie stanowi najsłabszy punkt projektu.

Podsumowanie

Jak widać powyżej, projektowanie z uwzględnieniem oddziaływań pożarowych nie musi być takim wyzwaniem. IDEA StatiCa pomoże Ci zaprojektować konstrukcję, która jest bezpieczna w użytkowaniu, a jednocześnie ekonomiczna. Nie ma potrzeby stosowania przestarzałych metod zachowawczych ani całkowitego unikania obliczeń.

Oprócz odporności ogniowej w IDEA StatiCa Connection oferujemy również rozwiązanie do weryfikacji wszystkich elementów w IDEA StatiCa Member.

Aby zapoznać się z szerszą teorią, przeczytaj artykuł w bazie wiedzy Projektowanie pożarowe lub sprawdź przypadki weryfikacyjne opracowane przez profesora Walda z CTU.