TERAKSESTA VALMISTETTUJEN SUORAKAIDEPUTKI JA 1-PROFIILIEN PALOTEKNINEN MITOITUS

Transkriptio

1 TERAKSESTA VALMISTETTUJEN SUORAKAIDEPUTKI JA 1-PROFIILIEN PALOTEKNINEN MITOITUS Reino Niemimaa Rakenteiden Mekaniikka, VoL2 No 2, 1995, s Tiiistelma: Artikkelissa tehdaan ehdotus nykyisin paloteknisessa mitoituksessa kaytettaien kaaojen tarkentamiseksi siten, etta myos liimmonsiirtyminen rakenteen pinnassa, erityisesti sen muodostuminen konektio- ja sateilykomponenteista, tulee huomioonotetuiksi. Laskelmin osoitetaan profiilin muodon, erityisesti sen oman atjostuksen aikutus palorasitetun profiilin kuumenemiseen. Naissa laskelmissa kaytetaan palolampotilana niita lampotilakayria, joita CEN/TC 127 ehdottaa uusissa ENV-standardeisssa. Artikkelissa kehitettyjen kaaojen aulla, joissa uutena tekijana huomioidaan myos profiilin sateily- ja konektiopintojen suhde l. arjostustekija, oidaan taman aikutus ottaa huomioon. Tarkennus on merkittaa erityisesti silloin, kun profiilin oma atjostus on suuri, kuten esim. 1- profiileilla, ja eristekerros joko puuttuu tai on ohut, esim. ruiskutettaa kiiilla tai palosuojamaali. JOHDANTO Nykyinen mitoituskliytanto Paloteknisessa mitoituksessa terasprofiilin lampotilan nousunopeus lasketaan yleisesti seuraailla kaaoilla: Suojaamaton terasprofiili (1) dt. 1 F -=--(a +a )- (T -T) dt C c r V J sps s 3

2 Eristamalla suojattu terasprofiili (2a) dj'. =A; F _l_lj - 1'.)- (e-'fo -I/lj dt di P.c. 1 +E. dt 3 [2], [3] (2b) dj'. = A; F _l_lj _ T;) dt di P.c. 1+q [1] Kaaat (2a) ja (2b) eiat erikseen huomioi Iammon siirtymista palotilasta eristeen pintaan, ja niiden kehittamisessa on oletettu pinnan lammonastus mitattoman pieneksi eristeen lammonastukseen errattuna. Konektio- ja sateilylammonsiirtymisen subteen oimakas muuttuminen kun siirrytaan huonelampotilasta palossa allitseiin lampotiloihin jaa siten huomioimatta. Erityisesti profiilin arjostuminen, ja taman mahdollinen aikutus lopputulokseen, jaa kokonaan tarkastelun ulkopuolelle. (kua 1) Suora, arjostamaton pinnan osa V arjostua pinnan osa Kua 1. Profiilin oman arjostuksen aikutus siihen osuaan UimpOsateilyyn 4

3 Oman arjostuksen aikutus siiteily- jakonektiouon suhteeseen Sateilyn ja konektion kautta siirtyien lampomaarien suhde oidaan arioida seuraaasti: Konektion kautta siirtya lampomaara noudattaa kaaaa (3) ja sateilylamrnonsiirtyminen yleisen sateilylain mukaisesti kaaaa (4) Tassa on oletettu, etta sateilylampotila = palotilan kaasujen lampotila. Naista saadaan konektio- ja sateilylampouon suhteeksi (5) qr r' (, -,) qc ac (Jj - T;,) Merkitsemalla (6) oidaan kaaaa (5) edelleen kehittaa muotoon (7) josta edelleen, jos LJTfp on pieni suhteessa Tjiiiin, likimaaraisyhtalo () 5

4 Sateilyn kautta profiiliin siirtya liimpomiiiira oidaan katsoa olean suoraan errannollinen eristetyn profiilin iiiiripisteiden kautta piirretyn pinnan alaan (sateilypinta-ala, kua 2a), ja konektion kautta siirtya lampomiiiira sen palotilaa astaan olean pinnan alaan (konektiopinta-ala, kua 2b). Suurta irhetta tekematta nama pinta-alat oidaan korata terasprofiilista mitatuilla astaailla pinta-aloilla, ja jatkotarkasteluissa kayttiiii eristepaksuudesta riippumattomia profiiliakioita. I J II II II J II II Kua 2a. Sateilyll1mpenemisen kannalta I mrutraiia fajapinta Kua 2b. Konektiolampenemisen kannalta mllilrma rajapinta Jos sateilylammonsiirtyminen on huomattaa konektioliimmonsiirtymiseen errattuna, on ilmeista, etta profiilin aijostuminen merkittaasti aikuttaa sen kuumenemisnopeuteen, ja tulisi huomioida seka palotestien tulosten kasittelyssa etta arsinaisessa paloteknisessa mitoituksessa. 6

5 ESIMERKKILASKELMAT Laskelmat Siiteily- ja konektioliimmonsiirtymisen subteen miiiirittiimiseksi ja sen kautta profiilin aljostuksen mahdollisen merkityksen arioimiseksi on suoritettu seuraaat laskelmat: 1. Elementtimenetelmiillii laskettu pintaliimpotila, kun niihin kohdistetaan ISO 34 mukainen palorasitus 3 min ajan, seuraaille profiileille: 1.1 Suojaamaton profiili, FN =5 1/m (kua 3) 1.2 FN = 2 1/m (kua 4) 1.3 Palosuojattu FN= 5 1/m (kua 5) Palosuojauksena 3 mm Limpet GP ruiskutettaa paloeriste. 2. Naiden pintaliimpotilojen aulla laskettu sateily- ja konektiouon suhde (kuat 6... ) 3. Siiteily- ja konektiouon suhde, laskettuna likimaiiriiiskaaasta (), kun paloliimpotila noudattaa: standardipalokiiyriii ISO 34 ENV YYY5-3, hydro-carbon cure ENV YYY5-3, external fire (kua 9) (kua 1) (kua 11) RakMK B7 mukaista parametrista paloa, parametriyhdistelmiille: Palokuorma 4 MJ/m 2 k1 1 k2 1 (kua 12) 7

6 Lammonsiirtymiskertoimen ( ak) ja resultoian sateilyemissiokertoimen ( er) mahdollisen aikutuksen arioimiseksi on kaikki laskelmat suoritettu ak:n ja ern yhdistelmille Tuloksista on tehtaissa johtopaatos, etta arjostus on paloteknisissa laskelmissa huomioitaa. Tulokset oiat myos antaa iitteen yhdelle selitykselle sille palotesteissa haaitulle ilmiolle, etta palosuojamaalilla suojatut suorakaideputket kuumeneat nopeammin kuin astaaan profiilisuhteen omaaat 1-profiilit. 1- profiilin oman arjostuksen takia niihin osua sateilyteho on profiilisuhteen laskennassa kaytettya pinta-alayksikkoa kohti 3...4% pienempi kuin suorakaideputkilla. 9 Pinlalampotilat, ISO 34 Suojoamalon leros, f/v=so 1/m : a. E 4 2 c : ""' ' /.w:; y a 25 /.65 Aika (min) + 15 / /.75 Kua3

7 Pintalamp6tilat, ISO 34 9 BOO a. E 4 c : / rl Suojoamoton teros, F/V=2 1/ m -- "*"' # I f/ /r;:? A Ar (?...-! B B 25 /.65 Aik o (min ) + 15 / /.75 Kua 4 Pintalamp6tilat, ISO 34 :g 9 BOO a. E 4 2 c : 3 2 II { I / 3 mm LlmpetGP, teros F/V=5 1/m -...r -,.-ll!-"' _... 1 B B 25 /.65 Aika {min) + 15 / /.75 Kua 5 9

8 . ", V) / / / 1// Sateily- I konektiouo, ISO 34 Suojaamolon teras, F /V=SO 1 /m,..--',...; _,.-- / 7'.x-",/ / /,/ /,/<' / /.-r if""" ;; V.._ " 1,.-a-- jv r::::--,_a- 6 f-'l>-' 1,..-e-!Y /..---r...-" 1,.-a-' lt-" a-'.-a-' 2 24 I/ k 1/ r!,--<" &- Lz- 1,..-a' k--><...---,.-a-< 2 25 /.65 1:> 25/.65 yks. X Aiko (min) + 15 /.65 15/.65 yks. 15 /.75 'I 15/.75 yks. Kua6. ", V) / / /,/1/ / V/./ ;; w jv w...- t/ B' 4 Scteily- I konektiouo, ISO 34.,/ S uojoomaton!eros, F /V=2 1/ m / / //./ /./ 12 16,..- /...--' _, / }--' / /.65 yks. X Aiko (min) + 15 /.65 15/.65 yks. 15 /.75 'I 15/.75 yks. Kua 7 1

9 ".<: VI " ,/, & ij. V)Y II,d? w 1f Sat eily- / konektio uo, ISO 34 3 mm Umpe1GP, taros F/V=5 1/m / y;../ V..r-: r:::::v',_---: & V" f:tp ty & --><--',.-: / /.65 yks. Aiko {min) + 15 / /.75 X 15/.65 yks. 'l 15/.75 yks. Kua Sateily- ja konektiouon suhde ISO 34 kooo (). ".<: VI " y 11--"" 13'.,/ --- re-,.- f.-+f.-" 12 16,.-&-' r--..-&-' r-- --r-+-f /.65 Aiko {min) + 15 / /.75 Kua 9 11

10 . " 16.r:, <ll / / IL /' ;/ ); 1 / Sateily- ja konektiouon suhde Hydro-carbon cure kooo ()...- /... /..-- / Y' e--a--" /.65 Aiko (min) + 15 / /.75 Kua 1 Sateily- ja konektiouon suhde 3 External fire kooo () " 16.r:, <ll w e-o B' 4 A::' r-- : /.65 Aiko (min) + 15 / /.75 Kua 11 12

11 12 Pa lo lampotila Sateily /konektiouo RokMK 7 poromefr. polo kooo (B) E Q 5..J / -"'" """ l5l., I'& ;1 "'-a, r. --""' h It r _ t-+- ljf f-+-:.::;:: Aika (min} Pa loiompotilo + 25 I.65 o 15 I.65 A 15 I.75 Kua 12 Kaaakehitys Edelliiesitetyt tulokset antaat aiheen seuraaaan kaaakehitelmiiiin: Rakenteen pinta-alayksikkoii aikayksikossa sateilynii tuleaa energiaa kuaa yhtalo (9) konektiona tuleaa energiaa yhtiilo (1) ja eristeen lapi kulkeaa energiaa yhtiilo (11) X q;f; = F; f<i;, - T;) I 13

12 Tasapainoehdosta saadaan, kun merkitaan (13) F; = F;, (14) ja (15) 2; =U d I I (16) josta edelleen (17) T = _( a :c_+_m_a_:_r_)t""-j_+_u-'-i T P ac+mar +Ui ja edelleen (1) (19) T- T = ac +mar (T - T) p s u f s ac+mar+ i Teraksen lii.mpotilan nousu ajassa t oidaan laskea tasapainoehdosta 14

13 Sijoittamalla q,frja qjc kaaoista (9) ja (1), tai q;f; kaaasta (11), ja ratkaisemalla 111'. :n suhteen, saadaan (21a) 11T, = U; F ac +mar (TJ- T,)M c,p, Vac+mar+U; (21b) Jos niiihin sijoitetaan d;=o (suojaamaton teras), kaaat pelkistyat muotoon (22) ja jos niihin sijoitetaan ( ac +mar)= aareton, I. pintaastus eristeen palonpuoleisessa pinnassa jatetaan huomioimatta, muotoon (23a) U. F AT=-' -(T -T )M cp V 1 P s s (23b) Kaaoissa esiintyalle siiteilylammonsiirtymiskertoimelle ar oidaan kehittaa lauseet (24) (tarkka lauseke) tai (25) (likiarolauseke, kun TF T j) 15

14 Kaaa (22) on identtinen yleisesti kaytetyn suojaamatonta terasta koskean lampotilan nousun laskentakaaan kanssa, kun m=il. profiilin omaa atjostusta ei huomioida, ja kaaat (23a) ja (23b) identtiset lammoneristeella suojatun teraksen astaaan kaaan kanssa, kun (ilmeisen turha) kotjaustekija (c"ijo -I)(dTjdt) jatetaan huomioimatta. Eristeen lampokapasiteetti on kaaoissa (2Ia) ja (2Ib) jatetty huomioonottamatta. Tasta syntya irhe on, kun eriste on ohut tai suojaus tehdaan maalilla, kuitenkin ahainen. Paksujen tai suuren lampokapasiteetin omaaien eristeiden mitoituksessa luonnollinen tapa huomioida tama lampokapasiteetti on lisata sauan lampokapasiteettia huomioiaan tekijaan (cspsv) eristeen lampokapasiteetti cipf1;d;, mahdollisesti kotjauskertoimella kotjattuna, eli sijoittaa kaaoihin (21a) ja (21b) lauseen (cspsv) tilalle lause. (cspsv+kcip(1;d;) Liihteet: [I] Suomen Rakentamismaarayskokoelma, osa B7, Terasrakenteet. Ohjeet 19 [2) NT Fire 21, Insulation of steel structures: Fire protection. 195 [3) doc CEN/TC 127N 73: Draft ENV YYY4 Part 3: Fire tests on elements of building construction. Test method for determining the contribution to the fire resistance of structural elements: By applied protection to steel structural elements. [ 4] ISO 34, Fire resistance tests - elements of building construction [5] doc CEN/TC 127 N 437: pren YYYI-2. Fire tests for building element and components - Fire resistance testning. Part 2, Alternatie heating conditions and qualifying procedures to be adopted under special circumstances. 16

15 Kaytetyt symbolit: c; eristeen ominaislampokapasiteetti cs teriiksen ominaislampokapasiteetti di palosuojauseristeen paksuus F profiilin ulkopinnan ala pituusyksikkoa kohti profiilin konektiopinta-ala profiilin siiteilypinta-ala m qc profiilin mjostuskerroin konektiolampouo palotilasta rakenteen pintaan q, sateilylampouo palotilasta rakenteen pintaan 1j palotilan liimpotila rakenteen palotilaa astaan olean pinnan liimpotila T. teriiksen Iampotila.t1Tf.t1Ts.t1Tfp ui aika palotilan Iampotilan muutos teriiksen Iampotilan muutos lampotilaero palotilan ja rakenteen pinnan alilla aika-askeleen pitus palosuojauksen liimmonlapaisykerroin profiilin tilauus pituusyksikkoa kohti a.c konektioliimmbnsiirtymiskerroin a.r siiteilyliimmonsiirtymiskerroin e, resultoia sateilyemissiokerroin A.; palosuojauksen lammonjohtauus f.-i eristeen ja teriiksen ominaislampokapasiteetin suhde P; eristeen tilauuspaino Ps teriiksen tilauuspaino eristeen lampokapasiteetin huomioia tekijii (j Stefan-Boltzmanin akio, s 67*Io- ' ' [JikgK] [JikgK] [m] [mz] [mz] [mz] [] [W/m 2 ] [Wim 2 ] [K] [K] [K] [s] [K] [K] [K] [s] [W/m 2 K] [m] [W/m 2 K] [W/m 2 K] [] [WimK] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [] Wlm 2 K 4 Reina Niemimaa, DI Ins.tsto Reina Niemimaa Consulting Engineers FIN-31 Nummela 17