Pentru conductivitatea ridicata a oțelului, protejarea elementelor din oțel la acțiunea focului devine absolut necesară. Grosimea acestor protecții depinde de criteriul de performanță capacitate portantă (R) impus, de factorul de secțiune, dar și de temperatura critică a elementului. Temperatura critică se determină prin iteratii succesive și este un proces laborios. Articolul abordează alternativa laborioaselor calcule pentru evaluarea temperaturii critice și a rezistentei la foc a elementelor metalice: utilizarea modulului specializat implementat în programul de calcul structural SCIA Engineer.
Multiplele avantaje ale construcțiilor metalice vin cu un dezavantaj dat de conductivitatea ridicata a oțelului. Astfel, în situația de incendiu, are loc o rapidă degradare a proprietăților de deformare. Această sensibilitate a materialului la temperaturi înalte este corectată prin protecții aplicate elementelor structurale. Aceste protecții trebuie stabilite astfel încât să asigure capacitatea portantă a construcției pentru o anumită perioadă de timp, în funcție de tipul de element structural și de nivelul de stabilitate la incendiu impus clădirii respective. Paleta de materiale și soluții de protecție este foarte largă și opțiunea pentru o categorie sau alta depinde de considerente de ordin estetic, de categoria mediului de utilizare (interior, semiexpus, expus, umiditate ridicată), de costuri.
Principii fizice și normative pentru calculul protecției la foc
Relatia prin care se determină creșterea de temperatură pentru secțiuni protejate, pentru o anumită grosime a stratului de protecție, se bazează pe proprietățile termice ale materialului de protecție: densitate, căldură specifică și conductivitatea termică. Acestea trebuie determinate în conformitate cu ENV 13381-4 și furnizate de producător. În ghidul GP 055 există câteva recomandări pentru calculul protecției la foc necesare: se dau proprietăți termice necesare pentru calculul grosimii stratului de protecție pentru mai multe tipuri de protecții, aplicate prin sprayere sau sub formă de carcase; pentru stâlpi și grinzI se prezintă soluții constructive, iar tabelul 3.1 dă câteva recomandări pentru alegerea grosimii plăcilor de ipsos pentru temperaturi critice de 550°C și factori de secțiune cuprinși între 150 și 250 m-1.
Producătorii pun la dispoziție fișe de produs care ușurează foarte mult etapa de proiectare a protecției. Simplificările permit ca pentru unele elemente metalice să se determine temperatura critică pe baza unui coeficient de utilizare a secțiunii, µ0. În mod acoperitor, conform articolelor 2.4.3. și 4.2.4 (4) din SR EN 1993-1-2, se poate considera că acest grad de utilizare este egal cu 0,65 sau 0,7, ceea ce conduce la temperaturi critice cu valoarea de 550°C. Secțiunea 4.2.4. din SR EN 1993-1-2 dă o relație de calcul a temperaturii critice în funcție de gradul de utilizare µ0 la momentul inițial; gradul de utilizare pentru elementele întinse și pentru elementele de clasă 1, 2 sau 3 se obține ca raport dintre efortul de calcul în situația de incendiu și efortul capabil al elementului în situația de incendiu, dar la timpul t0, adică la temperatura normală. Pentru celelalte situații, care implică fenomene de pierdere a stabilității, temperatura critică se determină printr-un proces iterativ laborios, așa cum este exemplificat în GP 055: se propune o temperatură inițială; în funcție de tipul de solicitare al elementului, pe baza relațiilor din secțiunea 4.2.3.
Utilizarea SCIA Engineer pentru evaluarea temperaturii critice
Există preocupări pentru depășirea inconvenientului reprezentat de calculul iterativ. O discuție se poate face în legătură cu modul în care se determină efectele încărcărilor în situația de incendiu. Pentru situația la incendiu, combinarea acțiunilor se poate face fie folosind valoarea frecvenței (a) fie valoarea cvasipermanentă (b) pentru acțiunea variabilă predominantă. Opțiunea pentru una dintre variante este în funcție de precizările din anexele naționale ale Eurocodurilor.
În acest context, este important să evidențiem un modul al programului SCIA Engineer care furnizează facilit temperatura critică. Este important să folosim această funcționalitate, având în vedere cel puțin două cerințe: obligația inginerului structurist de a furniza temperatura critică și stabilirea protecției potrivite în funcție de temperatura critică. „SCIA Engineer determină evoluția temperaturii gazului din compartimentul de incendiu precum și a materialului elementelor expuse la curba de incendiu pe baza regulilor de cod, a curbei de foc selectate, a caracteristicilor elementului și expunerii acestuia (pe 3 laturi, pe toate laturile) precum și a protecției la foc dacă este definită una. Functionalitatea FRC determină eforturile capabile modificate în funcție de temperatura atinsă de element și o procedură iterativă este aplicată pentru a obține temperatura critică dacă se optează pentru analiza în domeniul temperaturii.
Pentru început algoritmul propune o temperatură critică și se trece la verificarea unitară după EN 1993-1-2. Dacă verificarea este mai mică decât unitatea, va fi aleasă o temperatură mai mare, și invers. Această verificare este recalculată până când valoarea este cuprinsă între 0,99 și 1, și astfel este furnizată valoarea temperaturii critice. Studiul a modelat două cadre spațiale, considerând încărcările preluate integral de elementele liniare, și au fost comparate temperaturile critice determinate utilizând modulul de calcul Fire resistence checks implementat în SCIA Engineer (FRC). Modulul FRC permite analiză atât în domeniul timp cât și în domeniul rezistenței sau al temperaturii. Doar dacă analiza efectuată este în domeniul temperatura, modulul FRC poate furniza ca rezultat valoarea temperaturii critice.
Pentru determinarea acesteia se poate considera efortul de calcul folosind o combinație înfășuratoare realizată de program după modelul (a) sau (b) din figurile relevante. În studiul nostru, s-au analizat diferite sisteme de protecție la foc pentru stâlpi și pentru grinzi. Articolul citează surse normative, ghiduri și studii de caz care susțin abordarea integrată între reglementări, caracteristici ale elementelor și soluții de protecție la incendiu.
Concluzii practice pentru proiectanți
- Este critic să se aleagă protecția la foc potrivită în funcție de tipul elementului structural, de mediul de utilizare și de nivelul de stabilitate la incendiu impus clădirii.
- Se poate utiliza coeficientul µ0 pentru a simplifica calculul temperaturii critice pentru unele elemente metalice, însă pentru situații cu pierdere a stabilității, este necesar procesul iterativ descris în GP 055.
- SCIA Engineer oferă modulul FRC pentru evaluarea atât în domeniul timp cât și în domeniul temperaturii, facilitând calculul temperaturii critice și verificările conform EN 1993-1-2.
- Este recomandat să se consulte fișele de produs ale soluțiilor de protecție la foc oferite de producători pentru parametri termici și aplicații specifice.
Referințe normative și bibliografie relevante
- Normativ privind securitatea la incendiu a construcțiilor, P 118-1/2013.
- Eurocode 3: Proiectarea structurilor din oțel, Partea 1-2, Reguli generale.
- Ghid pentru verificarea la foc a elementelor structurale ale construcțiilor din oțel, GP 055-2000.
- Teemu Tiainen, Jolanta Baczkiewicz, Timo Jokinen, Mikko Salminen - Direct method for critical temperature of a steel member susceptible to stability loss.
- Raul Zaharia, Dan Pintea - Fire after earthquake analysis of steel moment resisting frames.
- Paulo Vila Real - Eurocodes: Design of steel buildings with worked examples.
tags: #evaluarea #sarcinii #critice #si #a #factoruli