Περιεχόµενα 3. Πρόλογος 1 Περίληψη 2. Σελίδα

Transcript

1 Πρόλογος Ευχαριστώ θερµά τον Καθηγητή µου κ. Νικόλαο Χαραλαµπάκη για την αµέριστη εµπιστοσύνη και την ουσιαστική συνεργασία καθ όλη τη διάρκεια της συγγραφής της παρούσας διπλωµατικής εργασίας. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω τον κ. Κίµωνα Θωµόπουλο, Καθηγητή του Τοµέα Μεταλλικών Κατασκευών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών για τις πολύτιµες γνώσεις που µου παρείχε κατά τη διάρκεια αυτής της προσπάθειας και τον κ. Γιώργο Χατζηγεωργίου, υποψήφιο διδάκτορα του τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών για την επίβλεψη και τη αµέριστη συµπαράσταση. 1

2 Περίληψη Στην παρούσα διπλωµατική εργασία θα µελετήσουµε τη δοµική συµπεριφορά των χαλύβδινων κτιρίων µε πυροπροστασία αλλά και χωρίς πυροπροστασία σε συνθήκες πυρκαγιάς, µε τη βοήθεια του προγράµµατος ADINA. Η δοµική συµπεριφορά των κτιρίων σε συνθήκες πυρκαγιάς εξαρτάται από τις θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στα δοµικά στοιχεία, οι οποίες επηρεάζονται από την εξέλιξη της πυρκαγιάς αλλά και από τον τρόπο που µεταφέρεται η θερµότητα από το περιβάλλον στα δοµικά στοιχεία. Στο πρώτο µέρος θα µελετήσουµε αρχικά το φαινόµενο της πυρκαγιάς, πώς εξελίσσεται και ποιοι παράγοντες επηρεάζουν αυτή την εξέλιξη. Αφού οριστούν αυτές οι παράµετροι, επόµενο βήµα είναι να καθοριστεί το µοντέλο µεταφοράς θερµότητας, δηλαδή πώς µεταφέρεται η θερµότητα από το θερµό περιβάλλον στα δοµικά στοιχεία και κατά συνέπεια ποια θα είναι η θερµοκρασιακή αύξηση στα δοµικά στοιχεία. Για τις δύο περιπτώσεις µονωµένων και µη µονωµένων χαλύβδινων στοιχείων προκύπτει, ότι τα µονωτικά επιβραδύνουν το ρυθµό αύξησης της θερµοκρασίας στα χαλύβδινα στοιχεία, επιτυγχάνοντας τον απαιτούµενο για µια κατασκευή χρόνο πυραντίστασης. Στο δεύτερο µέρος θα µελετήσουµε την επιρροή του ρυθµού αύξησης της θερµοκρασίας στην αλληλεπίδραση των θερµικών, των πλαστικών και των τροπών λόγω ερπυσµού σε ένα χαλύβδινο κτίριο. Πιο συγκεκριµένα, θα θεωρήσουµε αρχικά ένα µοντέλο για το οποίο η αύξηση της θερµοκρασίας είναι γρήγορη προσοµοιώνοντας τη συµπεριφορά του χάλυβα όταν εκτίθεται άµεσα στην πυρκαγιά. Μετά θα θεωρήσουµε µια πιο αργή αύξηση της θερµοκρασίας που αντιστοιχεί σε µονωµένο χάλυβα. Η µελέτη θα γίνει µε το πρόγραµµα ADINA, το οποίο µας δίνει τη δυνατότητα να εισάγουµε την επιρροή του ερπυσµού µε κατάλληλο νόµο υλικού και να πραγµατοποιήσουµε θερµοπλαστική ανάλυση. 2

3 Περιεχόµενα Σελίδα Πρόλογος 1 Περίληψη 2 Περιεχόµενα 3 Μέρος Α : Προσδιορισµός θερµοκρασιών που αναπτύσσονται στα δοµικά στοιχεία 1.1 Ανάγκη Πυροπροστασίας Ενεργητική Πυροπροστασία Παθητική Πυροπροστασία Σχεδιαστική αρχή για το σχεδιασµό κατασκευών σε πυρκαγιά Εξέλιξη µιας πυρκαγιάς Βασικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την εξέλιξη µιας πυρκαγιάς Mέθοδοι µελέτης µιας πυρκαγιάς Πρότυπη πυρκαγιά Μοντέλο µεταφοράς θερµότητας Αγωγιµότητα Σταθερής κατάστασης µεταφορά θερµότητας Μεταβατικής κατάστασης µεταφορά θερµότητας Μεταγωγή Ακτινοβολία Προσδιορισµός των θερµοκρασιών µε προγράµµατα θερµικής µεταφοράς Προσδιορισµός των θερµοκρασιών χαλύβδινων δοµικών στοιχείων µε αριθµητικές σχέσεις Θερµικές ιδιότητες του χάλυβα Συντελεστής διατοµής για µη µονωµένα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία Θερµοκρασιακή αύξηση για µη µονωµένα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία Παθητική πυροπροστασία Υλικά πυροπροστασίας Υλικά βαριάς µόνωσης Υλικά ελαφριάς µόνωσης Συστήµατα πινάκων Υλικά προστασίας σε µορφή σπρέι ιογκούµενη βαφή Υπολογισµός θερµοκρασιών για µονωµένα χαλύβδινα στοιχεία Θερµικές ιδιότητες µονωτικών υλικών Συντελεστής διατοµής µονωµένων χαλύβδινων στοιχείων Θερµοκρασιακή αύξηση µονωµένων χαλύβδινων στοιχείων Υπολογισµοί για υλικά µε υγρασία 54 3

4 Μέρος Β : Επίδραση της µεταβολής της θερµοκρασία στη δοµική συµπεριφορά των χαλύβδινων κτιρίων 2.1 Παραµορφώσεις χάλυβα σε συνθήκες πυρκαγιάς Μηχανικές τροπές Παραµορφώσεις που οφείλονται στη θερµοκρασία Θερµικές τροπές Τροπές ερπυσµού Αποτίµηση της δοµικής συµπεριφοράς των δοµικών στοιχείων Πειράµατα σε µεµονωµένα δοµικά στοιχεία Πειράµατα σε πραγµατικές κατασκευές Μελέτη συµπεριφοράς κατασκευών µε τη βοήθεια προγραµµάτων Προσοµοίωση πυρκαγιάς µε το ADINA Συµπεριφορά του υλικού Επιλογή του υλικού Καταστατικοί νόµοι και εξισώσεις υλικού Ο φορέας Ανάλυση Α : Ανάλυση του πλαισίου για απότοµη αύξηση της θερµοκρασίας Έναρξη προγράµµατος Σχεδιασµός του φορέα Στηρίξεις ιατοµές Υλικό Καθορισµός πεπερασµένων στοιχείων Καθορισµός φόρτισης και θερµοκρασιακής καταπόνησης Καθορισµός των βηµάτων Αποθήκευση του αρχείου και επίλυση Παρουσίαση αποτελεσµάτων Μελέτη συµπεριφοράς συγκεκριµένων στοιχείων του φορέα Παρουσίαση διαγραµµάτων τάσεων και τροπών µε το χρόνο της πρώτης ανάλυσης Γενικά Συµπεράσµατα από την Ά Ανάλυση Ανάλυση Β : Ανάλυση του πλαισίου για αργή αύξηση της θερµοκρασίας Παρουσίαση αποτελεσµάτων Μελέτη συµπεριφοράς συγκεκριµένων στοιχείων του φορέα Παρουσίαση διαγραµµάτων τάσεων και τροπών µε το χρόνο της πρώτης ανάλυσης Γενικά συµπεράσµατα από τη σύγκριση των δυο αναλύσεων 210 Βιβλιογραφία 212 4

5 Μέρος Α Προσδιορισµός των θερµοκρασιών που αναπτύσσονται στα δοµικά στοιχεία σε συνθήκες πυρκαγιάς 5

6 1.1 Ανάγκη της πυροπροστασίας Μια ανεπιθύµητη φωτιά σε ένα κτίριο αποτελούσε ανέκαθεν µια σηµαντική απειλή για την ασφάλεια των ανθρώπων που ζουν και εργάζονται σε αυτά. Η απειλή γίνεται ιδιαίτερα σηµαντική στα πολυώροφα κτίρια, όπου η δυσκολία µετακίνησης και διαφυγής είναι µεγαλύτερη µε δυσµενείς συνέπειες στην ασφάλεια της ζωής των ανθρώπων που έχουν τυχόν παγιδευτεί. Η κατασκευή όλο και περισσότερων υψηλών κτιρίων ικανοποιώντας µια πιο εποικοδοµητική χρήση της γης θέτει την πιθανότητα µιας πυρκαγιάς ως ένα σηµαντικό πρόβληµα που πρέπει να απασχολήσει τους µηχανικούς. Ακόµη και αν η πιθανότητα µιας µεγάλης πυρκαγιάς είναι µικρή δεν µειώνει καθόλου την επικινδυνότητα αυτού του φαινοµένου καθώς οι επιπτώσεις είναι τεράστιες. Αυτόν τον ισχυρισµό αποδεικνύουν γεγονότα του παρελθόντος µε αποκορύφωση την τροµοκρατική επίθεση της 11 ης Σεπτεµβρίου στους ίδυµους Πύργους της Νέας Υόρκης, όταν η φωτιά οδήγησε για πρώτη φορά σε κατάρρευση κτιρίων. Καθώς όλο και περισσότεροι άνθρωποι ζουν και εργάζονται σε µεγάλα και υψηλά κτίρια ο ενδεχόµενος κίνδυνος µιας πυρκαγιάς σε ένα κτίριο, εισήγαγε την ανάγκη να κριθούν τα κτίρια κατά το σχεδιασµό τους και σε επίπεδο ασφάλειας σε πυρκαγιά. Η πυροπροστασία επιβάλλεται επίσης σε χώρους µε αντικείµενα µεγάλης αξίας, όπως σε µουσεία σε νοσοκοµεία αλλά και σε χώρους µε εύφλεκτο υλικό, όπως εργοστάσια. Εικόνα1.1: Η ανάγκη πυροπροστασίας ιδιαίτερα στα ψηλά κτίρια Η πυροπροστασία σε ένα κτίριο πραγµατοποιείται µε ένα συνδυασµό ενεργητικού και παθητικού συστήµατος προστασίας. 6

7 1.1.1 Ενεργητική πυροπροστασία Η ενεργητική πυροπροστασία αφορά την ανίχνευση της φωτιάς αλλά και την άµεση επέµβαση είτε από τους ίδιους τους ανθρώπους, είτε από ειδικές αυτόµατες συσκευές. Η καλύτερη αποδεδειγµένα τεχνολογία ενεργητικής πυροπροστασίας είναι ο εφοδιασµός του κτιρίου µε αυτόµατους καταιωνητήρες, επειδή η εφαρµογή τους δίνει πολύ µεγάλες πιθανότητες ελέγχου αλλά και πλήρους κατάσβεσης της πυρκαγιάς. Η ανίχνευση γίνεται κυρίως από ανιχνευτές καπνού ή θερµότητας. Αυτές οι συσκευές είναι αναµφισβήτητα πολύ αποτελεσµατικές, εάν λειτουργήσουν άµεσα. Επειδή όµως τοποθετούνται σε συγκεκριµένα σηµεία ενός κτιρίου, η πιθανότητα βλαβών δε µπορεί να αποκλεισθεί. Πιο συγκεκριµένα, οποιαδήποτε καταστροφή στο µηχανισµό παροχής νερού των καταιωνητήρων αλλά και βλάβης των βαλβίδων µπορούν να καταστήσουν το σύστηµα ανενεργό. εδοµένου ότι η επιθεώρηση και η συντήρηση των ψεκαστήρων είναι σπάνια υποχρεωτικές στα κτίρια, το ενδεχόµενο ποσοστό αποτυχίας είναι ανησυχητικό. Επίσης, επειδή η ποσότητα νερού που διαθέτουν είναι συγκεκριµένη, εάν οι καταιωνητήρες δεν λειτουργήσουν πριν η φωτιά πάρει µεγάλες Εικόνα 1.2 : Σύστηµα αυτόµατων καταιωνητήρων διαστάσεις, ενδεχοµένως δε θα µπορέσουν να την ελέγξουν. Η ενεργητική πυροπροστασία περιλαµβάνει τη δράση των ανθρώπων που θα αντιληφθούν την ύπαρξη καπνού και θα σπεύσουν να σβήσουν τη φωτιά στα αρχικά στάδια, αλλά και τη δράση των πυροσβεστών. Στην περίπτωση που οι αυτόµατες συσκευές δε λειτουργήσουν άµεσα και δεν υπάρξει άµεση επέµβαση για την κατάσβεση στα αρχικά στάδια της εξέλιξης µιας φωτιάς, τότε µπορεί να πάρει καταστροφικές διαστάσεις. Σε αυτή τη φάση πρέπει να εξασφαλιστεί ο απαιτούµενος χρόνος (δηλαδή η απαιτούµενη δοµική πυραντίσταση), για τον οποίο η κατασκευή θα επιτελέσει µε ασφάλεια το έργο της, ώστε να προλάβουν οι άνθρωποι που βρίσκονται στο κτίριο να διαφύγουν, αλλά και οι πυροσβέστες να πραγµατοποιήσουν την κατάσβεση. 7

8 1.1.2 Παθητική Πυροπροστασία Η δοµική πυραντίσταση συχνά περιγράφεται ως σύστηµα παθητικής πυροπροστασίας και αναφέρεται α) σε υλικά που χρησιµοποιούνται στο σκελετό του κτιρίου και β) σε κατασκευαστικές λεπτοµέρειες, που έχουν σκοπό να εµποδίσουν την εξάπλωση της φωτιάς, αλλά και να αυξήσουν το χρόνο της ασφαλούς λειτουργίας µέχρι την κατάρρευση. Έτσι αν σε ένα υψηλό κτίριο αναπτυχθεί φωτιά στους χαµηλούς ορόφους, πρέπει να παρέχεται το απαιτούµενο χρονικό διάστηµα για την ασφαλή µετακίνηση αυτών που βρίσκονται στους υψηλούς ορόφους. Η παθητική και η ενεργητική πυροπροστασία λειτουργούν συµπληρωµατικά και µάλιστα όταν προβλέπεται ενεργητική πυροπροστασία επιτρέπεται περιορισµός της παθητικής. 1.2 Σχεδιαστική αρχή για το σχεδιασµό κατασκευών σε πυρκαγιά Το θεµελιώδες βήµα στο σχεδιασµό των κατασκευών, ώστε να προσφέρουν την κατάλληλη πυραντίσταση στα κτίρια, είναι να διασφαλιστεί ότι η αντίσταση σε συνθήκες πυρκαγιάς της κατασκευής (ή κάθε µέρους της κατασκευής) είναι µεγαλύτερη από την ένταση της πυρκαγιάς. Για να ισχύει αυτό θα πρέπει να ικανοποιείται η εξής σχεδιαστική αρχή : Πυραντίσταση >Ένταση της πυρκαγιάς Η πυραντίσταση εκφράζει την ικανότητα της κατασκευής να αντιστέκεται στην κατάρρευση, στην εξάπλωση της φωτιάς ή οποιασδήποτε αστοχίας της κατασκευής κατά την έκθεση σε πυρκαγιά. Η ένταση της πυρκαγιάς εκφράζει την καταστροφική επίδραση της πυρκαγιάς. Η επαλήθευση της ικανότητας της κατασκευής να αντιστέκεται στην κατάρρευση µπορεί να γίνει µε τρεις διαφορετικούς τρόπους, οι οποίοι είναι ισοδύναµοι. α) ως προς την αντοχή, R E. fi. d fi. d Η ανισότητα αυτή δεικνύει ότι η τιµή σχεδιασµού των εσωτερικών δυνάµεων και ροπών που προσδιορίστηκε από τη στατική επίλυση βάσει των δράσεων σχεδιασµού σε κατάσταση πυρκαγιάς, πρέπει να είναι µικρότερη από την ανταποκρινόµενη αντίσταση σχεδιασµού σε κατάσταση πυρκαγιάς στον χρόνο t. 8

9 β) ως προς τη θερµοκρασία, θ θ, α.t d Η ανισότητα αυτή δεικνύει ότι η θερµοκρασία της κατασκευής ή του δοµικού στοιχείου στο τέλος ενός προδιαγεγραµµένου χρονικού διαστήµατος πρέπει να είναι µικρότερη από την κρίσιµη θερµοκρασία της κατασκευής ή του δοµικού στοιχείου. Κρίσιµη θερµοκρασία είναι η θερµοκρασία για την οποία αναµένεται αστοχία σ ένα δοµικό στοιχείο για ένα δεδοµένο επίπεδο φόρτισης και για οµοιόµορφη κατανοµή θερµοκρασίας στο στοιχείο αυτό. γ) ως προς το χρόνο t t, fi. d fi. requ όπου t fi. d ο δείκτης πυραντίστασης της κατασκευής. Η ανισότητα αυτή δεικνύει ότι το χρονικό διάστηµα στο τέλος του οποίου επέρχεται κατάρρευση λόγω της επίδρασης της πυρκαγιάς πρέπει να είναι µεγαλύτερο του απαιτούµενου δείκτη πυραντίστασης σύµφωνα µε τους Κανονισµούς Πυροπροστασίας. Για να µελετήσουµε την αντοχή των χαλύβδινων δοµικών στοιχείων αλλά και τα υλικά που χρησιµοποιούνται, προκειµένου να βελτιώσουν τη συµπεριφορά τους στην περίπτωση που θα ξεσπάσει µια ανεπιθύµητη φωτιά, θα πρέπει να µελετήσουµε χωριστά : Τον τρόπο που εξελίσσεται µια φωτιά Πώς η θερµότητα που αναπτύσσεται µεταφέρεται στα δοµικά στοιχεία Ποια είναι η αύξηση της θερµοκρασίας στα δοµικά στοιχεία Πώς αυτές οι θερµοκρασίες επηρεάζουν την αντοχή του υλικού, δηλαδή την αναγωγή της θερµοκρασιακής µεταβολής σε µεταβολή της φέρουσας ικανότητας συναρτήσει του χρόνου. 9

10 1.3 Εξέλιξη µια πυρκαγιάς Βασικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την εξέλιξη µιας πυρκαγιάς Για να κατανοήσουµε οποιαδήποτε πτυχή της συµπεριφοράς µιας κατασκευής, όταν εκτίθεται σε συνθήκες πυρκαγιάς, ξεκινάµε από την παρατήρηση του φυσικού φαινοµένου. Η εξέλιξη µιας πυρκαγιάς, δηλαδή η µεταβολή των θερµοκρασιών συναρτήσει του χρόνου σε ένα χώρο, είναι το πρώτο ουσιαστικό βήµα στη µελέτη και το σχεδιασµό των κατασκευών. Μια φωτιά µπορεί να συµβεί οπουδήποτε σε ένα κτίριο και έχει διαφορετική ένταση. Η εξέλιξη µιας τυπικής πυρκαγιάς σε ένα δωµάτιο (κλειστό χώρο) είναι το αντικείµενο που θα µας απασχολήσει και θα αποτελέσει την εισαγωγή που θα βοηθήσει να κατανοήσουµε καλύτερα το φυσικό φαινόµενο. Στο παρακάτω σχήµα σε άξονες χρόνου-θερµοκρασίας δίνεται η καµπύλη της φυσικής εξέλιξης µιας πυρκαγιάς σε ένα δωµάτιο θεωρώντας ότι δεν υπάρχει περίπτωση καταστολής από αυτόµατους καταιωνητήρες ή από πυροσβέστες. Σχήµα 1.1 : Καµπύλη µεταβολής θερµοκρασίας-χρόνου για τυπική πυρκαγιά Στα αρχικά στάδια της εξέλιξης µιας πυρκαγιάς (incipient period) πραγµατοποιείται η θέρµανση των αερίων του περιβάλλοντος. Η έναρξη της φλεγόµενης καύσης (ignition) σηµατοδοτεί τη µετάβαση από τα αρχικά στάδια στην εξάπλωση της πυρκαγιάς (growth period). Στην περίοδο αυτή οι περισσότερες πυρκαγιές διαδίδονται αρχικά µε αργό ρυθµό στις καύσιµες επιφάνειες, κατόπιν γρηγορότερα, δεδοµένου ότι αυξάνεται η ένταση τους µε την ακτινοβολία και την ανατροφοδότηση από τις φλόγες και τα καυτά αέρια στα δοµικά στοιχεία που φλέγονται. Αν οι θερµοκρασίες της επιφάνειας των σωµάτων φτάσουν τους 600 o C, η θερµοκρασία αυξάνεται σε µικρό χρονικό διάστηµα, ώστε να οδηγήσει στην ανάφλεξη (flashover) της πυρκαγιάς µε την οποία γίνεται και η µετάβαση στην περίοδο πλήρους ανάπτυξης της πυρκαγιάς (burning period). Η αύξηση της θερµοκρασίας σε συνάρτηση µε το χρόνο στην περίοδο 10

11 ανάπτυξης (growth period) της πυρκαγιάς γενικώς εξαρτάται από τη φύση των καιγόµενων επιφανειών, σε αντίθεση µε τη περίοδο πλήρους ανάπτυξης της πυρκαγιάς (burning period), όπου οι θερµοκρασίες και η θερµική ροή λόγω ακτινοβολίας µέσα στο δωµάτιο είναι τόσο µεγάλες, που όλες οι επιφάνειες καίγονται και ο ρυθµός απελευθέρωσης θερµότητας ελέγχεται από το διαθέσιµο αερισµό. Η περίοδος πλήρους ανάπτυξης της πυρκαγιάς(burning period) είναι αυτή που επιδρά στα δοµικά στοιχεία και στα όρια των διαµερισµάτων. Εάν η φωτιά συνεχίσει, τότε όλα τα καύσιµα υλικά καίγονται και οι θερµοκρασίες µειώνονται, µεταβαίνοντας έτσι από την περίοδο ανάπτυξης της πυρκαγιάς στην περίοδο εξασθένισης (decay period). Ο ρυθµός µεταβολής της θερµοκρασίας σε αυτή την περίοδο εξασθένισης της φωτιάς εξαρτάται από τα υλικά καύσιµα, που συνεχώς µειώνονται, ενώ δεν µας ενδιαφέρει πια ο αερισµός Mέθοδοι µελέτης µιας πυρκαγιάς Η εξέλιξη µιας πυρκαγιάς εξαρτάται από την ποσότητα, το είδος και τη θέση των καυσίµων υλικών, του αερισµού του διαµερίσµατος και των θερµοµονωτικών χαρακτηριστικών των τοίχων. Οι παραπάνω συνθήκες µιας πραγµατικής πυρκαγιάς σε ένα κτίριο είναι δύσκολο να προσδιοριστούν και ενδεχοµένως να µοντελοποιηθούν. Κάποιες τεχνικές µοντελοποίησης της συµπεριφοράς της φωτιάς είναι οι παρακάτω : Αναλυτικές µέθοδοι Ένας µεγάλος αριθµός δοκιµών (fire tests) εκτελούνται, κατά τις οποίες διαφορετικοί παράµετροι αξιολογούνται. Από τα αποτελέσµατα προκύπτουν εµπειρικές σχέσεις µεταξύ των µεταβλητών που µας ενδιαφέρουν (ρυθµός καύσης, θερµοκρασία φωτιάς, µέγεθος καπνού). Η µέθοδος θεώρησης ζωνών (zone model) Για τις πλήρως αναπτυγµένες πυρκαγιές (post flashover) θεωρείται ο χώρος που αναπτύσσεται µια πυρκαγιά, µια ζώνη µε την ίδια θερµοκρασία. Μοντελοποίηση της δυναµικής των ρευστών (Computational Fluid Dynamics) Ο χώρος που εξελίσσεται µια φωτιά χωρίζεται σε ένα µεγάλο αριθµό όγκων. Οι µερικές διαφορικές εξισώσεις της µάζας, της ορµής και της µεταφοράς και διατήρησης της ενέργειας γράφονται για κάθε όγκο ελέγχου βασιζόµενες σε βασικές εξισώσεις της δυναµικής των ρευστών και χηµικών αντιδράσεων. Τα µοντέλα για κάθε περίπτωση διαφέρουν και τα αποτελέσµατα είναι αρκετά ακριβή. Χρειάζονται όµως ειδικές γνώσεις στη µοντελοποίηση της πυρκαγιάς. 11

12 1.3.3 Πρότυπη πυρκαγιά Παρόλο που µε την εφαρµογή των παραπάνω µεθόδών έχουν γίνει σηµαντικά βήµατα στην έρευνα, η έλλειψη πληροφοριών και η πολυπλοκότητα αυτών των διαδικασιών, τις καθιστούν δύσχρηστες. Γι αυτό το λόγο και οι περισσότερες χώρες δέχονται ως πυρκαγιά σχεδιασµού την πρότυπη πυρκαγιά. Η πρότυπη πυρκαγιά είναι µια ιδεατή καµπύλη δοσµένη από τους Κανονισµούς, που παριστάνει µια διαδικασία αύξησης της θερµοκρασίας συναρτήσει του χρόνου. Η ιδεατή καµπύλη διαφέρει πολύ από µια πραγµατική πυρκαγιά, δίνει όµως µια πρώτη εκτίµηση του µέτρου αντίστασης της κατασκευής σε φωτιά. Οι πιο ευρέως χρησιµοποιούµενες πρότυπες ιδεατές καµπύλες είναι οι ASTM E119 και η ISO 834. Για την πρότυπη καµπύλη ISO η θερµοκρασία συναρτήσει του χρόνου δίνεται από τη σχέση : θ = 345.log ( 8. t + 1) + 20 (1.1) g 10 όπου θ g η θερµοκρασία των αερίων του περιβάλλοντος ( o C ) και t είναι ο χρόνος σε λεπτά [minutes]. Η πρότυπη πυρκαγιά ISO 834 αφορά την καύση ξύλου χαρτιού ή υφασµάτων. Για την πρότυπη καµπύλη ASTM E119 2 η θερµοκρασία συναρτήσει του χρόνου δίνεται από τη σχέση : θ g = [ e ] +, t + (1.2) 3, 79553/ t h h 20 όπου θ g η θερµοκρασία των αερίων του περιβάλλοντος ( o C ) και t ο χρόνος σε ώρες [hours]. Επίσης η καµπύλη υδογονανθράκων που αφορά την καύση υδρογονανθράκων δίνεται από τη σχέση : 0167,. t 25,. t = 1080.[ 1 0, , 675. ] + 20 (1.3) θ g e e 1 ISO: International organization for standardization 2 ASTM Ε119: American Society for Testing and Materials Standard Fire Test Methods of Building Construction and Materials 12

13 όπου [minutes]. θ g η θερµοκρασία των αερίων του περιβάλλοντος ( o C ) και t είναι ο χρόνος σε λεπτά Η τελευταία καµπύλη αφορά δοµικά στοιχεία, που είναι έξω από το δωµάτιο που έχει αναπτυχθεί πυρκαγιά. Οι θερµοκρασίες θα είναι χαµηλότερες από αυτές που αναπτύσσονται µέσα στο δωµάτιο και δίνονται από τη σχέση : 032,. t 38,. t = 660.[ 1 0, , 313. ] + 20 (1.4) θ g e e όπου [minutes]. θ g η θερµοκρασία των αερίων του περιβάλλοντος ( o C ), t είναι ο χρόνος σε λεπτά Οι καµπύλες µεταβολής θερµοκρασίας-χρόνου που περιγράφηκαν δίνονται στο παρακάτω σχήµα. Η ISO 834 και η ASTM Ε119 είναι οι πρότυπες καµπύλες για την Ευρώπη και την Αµερική και παρατηρούµε ότι είναι παρόµοιες. Άλλες πρότυπες καµπύλες είναι η BS 476 της Βρετανίας και CAN/ULC-S101-M89 του Καναδά. Σύµφωνα µε την καµπύλη µεταβολής ISO 834 η θερµοκρασία των 1000 o C αποκτάται σε µια ώρα περίπου, ενώ στην περίπτωση της καµπύλης των υδρογονανθράκων η θερµοκρασία των 1000 o C αποκτάται σε 10 λεπτά. Σχήµα 1.2 : Καµπύλες µεταβολής θερµοκρασίας χρόνου 13

14 Πίνακας 1.1 : Τιµές θερµοκρασίας-χρόνου για τις καµπύλες ISO 834 ASTM E119 Παρατηρούµε στο Σχήµα 2 ότι για τις πρότυπες καµπύλες η σχέση θερµοκρασίας-χρόνου είναι αύξουσα, πράγµα που δεν είναι ρεαλιστικό καθώς η θερµοκρασία µειώνεται, όταν εξαντλείται το πυροθερµικό φορτίο. Επειδή όµως οι πρότυπες καµπύλες θερµοκρασίας χρόνου παρουσιάζουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα, έγινε προσπάθεια να συνδεθούν µε τη ρεαλιστική φωτιά µε την έννοια του ισοδύναµου χρόνου. Ο ισοδύναµος χρόνος µια ρεαλιστικής πυρκαγιάς είναι ο χρόνος κατά τον οποίο ένα δοµικό στοιχείο εκτίθεται στην πρότυπη πυρκαγιά και οι επιπτώσεις στο δοµικό αυτό στοιχείο θα είναι οι ίδιες µε αυτές της έκθεσης στη ρεαλιστική φωτιά. Σχήµα 1.3 :Ισοδύναµος χρόνος t θ 14

15 Αφού ορισθεί η συµπεριφορά της πυρκαγιάς, το επόµενο βήµα είναι να µελετηθεί πώς µεταφέρεται η θερµότητα που απελευθερώνεται στα δοµικά στοιχεία. Η µεταφορά της θερµότητας γίνεται µε τρεις µηχανισµούς, τη µεταγωγή, την ακτινοβολία και την αγωγιµότητα. Οι µηχανισµοί αυτοί ενεργοποιούνται µαζί ή και χωριστά ανάλογα µε τις περιστάσεις. 1.4 Μοντέλο µεταφοράς θερµότητας Αγωγιµότητα Η αγωγιµότητα (conduction) είναι ο µηχανισµός µεταφοράς θερµότητας στα στερεά. Στα υλικά τα οποία είναι καλοί αγωγοί της θερµότητας, η θερµότητα µεταφέρεται από τις αλληλεπιδράσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων και ως εκ τούτου τα υλικά που είναι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί είναι συνήθως και καλοί αγωγοί της θερµότητας. Σε άλλα υλικά που δεν είναι καλοί αγωγοί θερµότητας, η θερµότητα µεταφέρεται από τις µηχανικές δονήσεις του µοριακού δικτυωτού πλέγµατος. Η αγωγιµότητα είναι ένας σηµαντικός παράγοντας στην ανάφλεξη των στερεών επιφανειών και στην αντίσταση σε πυρκαγιά (πυραντίσταση) των δοµικών µελών. Για τον υπολογισµό µεταφοράς θερµότητας στα στερεά υλικά απαιτούνται συγκεκριµένες υλικές ιδιότητες. υτές είναι, η πυκνότητα p, η ειδική θερµότηταc και η θερµική αγωγιµότητα k. πυκνότητα p kg είναι η µάζα του υλικού ανά µονάδα όγκου σε ( 3 m p ). Η ειδική θερµότητα p c είναι το ποσό θερµότητας που απαιτείται, για να αυξηθεί η θερµοκρασία της µοναδιαίας µάζας κατά 1 βαθµό J σε ( ). Η θερµική αγωγιµότητα k αντιπροσωπεύει το ρυθµό της θερµότητας που kg. K µεταφέρεται µέσω µοναδιαίου πάχους του υλικού ανά µονάδα θερµοκρασιακής διαφοράς σε W ( mk. ). Η πυκνότητα δε µεταβάλλεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Η θερµική αγωγιµότητα και η ειδική θερµότητα µεταβάλλονται µε τη θερµοκρασία αλλά σε πολλές περιπτώσεις µπορούν να θεωρηθούν σταθερές. Για κάθε υλικό καθορίζονται οι υλικές ιδιότητες. Η µεταφορά θερµότητας στα στερεά µπορεί να είναι σταθερής κατάστασης µεταφορά θερµότητας (steady state heat flow), ή µεταβατικής κατάστασης µεταφορά θερµότητας (transient heat flow) ανάλογα µε την ικανότητα του υλικού να αποθηκεύει θερµότητα. 15

16 Σταθερής κατάστασης µεταφορά θερµότητας Η βασική εξίσωση για µονοδιάστατη σταθερή κατάσταση µεταφοράς θερµότητας (steady state condition) σε ένα στερεό µε αγωγιµότητα k βασίζεται στο Νόµο του Fourier και είναι : dt q= k (1.5) dx Σχήµα 1.4 :Μονοδιάστατη ροή όπου q είναι η ροή θερµότητας κατά µήκος του πάχους του υλικού, k είναι η θερµική αγωγιµότητα του υλικού, dt είναι η θερµοκρασιακή διαφορά κατά µήκος ενός απειροελάχιστου πάχους dx, και dx είναι το απειροελάχιστο πάχος του υλικού στη διεύθυνση της θερµικής ροής. Το (-) δηλώνει ότι η θερµική ροή πραγµατοποιείται από τις υψηλότερες προς τις χαµηλότερες θερµοκρασίες. Σχήµα 1.5 : Μονοδιάστατη θερµική ροή σε ένα δοµικό στοιχείο πολλών στρωµάτων διαφορετικού υλικού 16

17 Στην περίπτωση σταθερής κατάστασης η ικανότητα αποθήκευσης θερµότητας του υλικού δεν λαµβάνεται υπόψη επειδή είναι ασήµαντη. Η µεταβολή της θερµοκρασίας µεταξύ δύο σηµείων εξαρτάται µόνο από τη µεταξύ τους απόσταση και τη θερµική αγωγιµότητα του υλικού, όπως φαίνεται και από το παραπάνω σχήµα Μεταβατικής κατάστασης µεταφοράς θερµότητας Στη µεταβατική κατάσταση µεταφοράς θερµότητας (transient heat flow), θα πρέπει να συµπεριλαµβάνεται η ποσότητα θερµότητας που αποθηκεύεται στο υλικό. ηλαδή η µεταβολή της θερµοκρασίας σε ένα υλικό δεν εξαρτάται µόνο από την απόσταση µεταξύ δύο σηµείων της µάζας τους και τη θερµική αγωγιµότητα αλλά και από την ικανότητα του υλικού να αποθηκεύει θερµότητα. Για µονοδιάστατη θερµική ροή στο στερεό δίνεται η σχέση : 2 dt dt k. = pc.. (1.6) 2 dx dt όπου p είναι η πυκνότητα και c η ειδική θερµότητα. Σκοπός είναι, στηριζόµενοι στις θεωρητικές εξισώσεις του µοντέλου µεταφοράς θερµότητας να υπολογιστεί η αύξηση της θερµοκρασίας που είναι µια βασική παράµετρος, η οποία καθορίζει τη συµπεριφορά της κατασκευής. Η µεταφορά θερµότητας µέσα στο υλικό εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού που αναφέρθηκαν αλλά και από τις επιφανειακές θερµοκρασίες του δοµικού στοιχείου. Οι επιφανειακές θερµοκρασίες είναι άγνωστες και η µεταβολή τους εξαρτάται από τον τρόπο που ανταλλάσσεται η θερµότητα µε το περιβάλλον. Η µεταφορά θερµότητας από το θερµό περιβάλλον στο δοµικό στοιχείο γίνεται µε δύο τρόπους (α) τη µεταφορά δια µεταγωγής και (β) τη µεταφορά δια ακτινοβολίας. Η µεταγωγή λαµβάνεται υπόψη µόνο όταν η φωτιά βρίσκεται σε επαφή µε το δοµικό στοιχείο, ενώ η ακτινοβολία λαµβάνεται υπόψη είτε η φωτιά βρίσκεται σε επαφή µε το δοµικό στοιχείο είτε όχι Μεταγωγή (convection) Η µεταγωγή αναφέρεται στη µεταφορά θερµότητας στην επιφάνεια αλληλεπίδρασης µεταξύ ενός στερεού και ενός ρευστού λόγω της κίνησης του ρευστού, αερίου ή υγρού, πάνω σε αυτή την επιφάνεια. Η κίνηση αυτή του ρευστού µπορεί να οφείλεται σε µια εξωτερική δύναµη και τότε η µεταγωγή ονοµάζεται εξαναγκασµένη µεταγωγή. Από την άλλη πλευρά, όταν η κίνηση του ρευστού στην επιφάνεια του στερεού οφείλεται σε θερµοκρασιακή διαφορά, ονοµάζεται φυσική µεταγωγή. Η φυσική µεταγωγή είναι η αιτία µεταφοράς θερµότητας στην 17

18 περίπτωση µιας φωτιάς. Η µεταφορά θερµότητας δια µεταγωγής επηρεάζει ουσιαστικά την εξάπλωση της φωτιάς, αλλά και την ανοδική µεταφορά του καπνού και των καυτών αερίων µέχρι το ανώτατο όριο του κτιρίου. Οι υπολογισµοί για τη µεταφορά θερµότητας µε µεταγωγή περιλαµβάνουν τη µεταφορά θερµότητας µεταξύ της επιφάνειας ενός στερεού και ενός ρευστού που περιβάλλει το στερεό και έχουν διαφορετικές θερµοκρασίες. Ο ρυθµός µεταφοράς θερµότητας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η ταχύτητα του ρευστού στην επιφάνεια. Η θερµική ροή δίνεται από τη σχέση: q= h c. Τ 2 ( W / m ) (1.7) όπου h c είναι ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας µε µεταγωγή (convective heat transfer 2 coefficient) σε ( W / m. K ) και Τ η θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ της επιφάνειας του στερεού και του ρευστού ( o C ή K ). Η τιµή του συντελεστή h c εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η γεωµετρία της επιφάνειας, η φύση της ροής και το πάχος του συνοριακού στρώµατος. Ο προσδιορισµός του συντελεστή µεταγωγής είναι απαραίτητος για τη µοντελοποίηση της θερµοκρασιακής διανοµής µιας κατασκευής που εκτίθεται. Πιο συγκεκριµένα για ένα δοµικό στοιχείο που εκτίθεται σε συνθήκες πυρκαγιάς, στην πλευρά που είναι σε επαφή µε τη φωτιά η 1/3 ροή στην επιφάνεια επαφής είναι τυρβώδης και hc = a.( Τ ) όπου a =1. Ενώ για τη πλευρά που το στερεό είναι σε επαφή µε τη θερµοκρασία περιβάλλοντος, η ροή είναι στρωτή και hc.( ) 1/4 = a Τ όπου a =2, Ακτινοβολία (radiation) Η ακτινοβολία εµφανίζεται σε όλα τα σώµατα και οφείλεται στη συνεχή εκποµπή ενέργειας λόγω της θερµοκρασίας τους. Η ακτινοβολία είναι η ανταλλαγή ενέργειας µε ηλεκτροµαγνητικά κύµατα τα οποία µπορούν να απορροφώνται, να αντανακλώνται ή να µεταφέρονται σε µια επιφάνεια. Η ακτινοβολία είναι πολύ σηµαντική στην περίπτωση της φωτιάς, γιατί είναι ο βασικός µηχανισµός µεταφοράς θερµότητας από τις φλόγες στις καύσιµες επιφάνειες, από τον καπνό στα αντικείµενα του κτιρίου και από ένα κτίριο σε ένα άλλο γειτονικό. 18

19 Η ροή θερµότητας από την επιφάνεια εκποµπής ενέργειας σε µία επιφάνεια που λαµβάνει ενέργεια δίνεται από τη σχέση : q= φεσ T T ( e r ) 2 ( W / m ) (1.8) όπου φ ο συντελεστής διαµόρφωσης (configuration factor ή view factor) είναι ένα µέτρο του κατά πόσο η επιφάνεια εκποµπής είναι ορατή από τη λαµβάνουσα επιφάνεια και δεν µπορεί να πάρει τιµή µεγαλύτερη από 1. Η τιµή του συντελεστή διαµόρφωσης είναι ίση µε 1 όταν η φωτιά βρίσκεται σε επαφή µε το δοµικό στοιχείο. Στη γενική περίπτωση ο συντελεστής διαµόρφωσης για µεταφορά θερµότητας δια ακτινοβολίας στο σηµείο 2 που απέχει απόσταση r από την επιφάνεια εκποµπής A 1 δίνεται : Σχήµα 1.6 : Υπολογισµός συντελεστή διαµόρφωσης T e η απόλυτη θερµοκρασία της επιφάνειας εκποµπής ( K ) και T r η απόλυτη θερµοκρασία της λαµβάνουσας επιφάνειας ( K ) σ είναι η σταθερά Stefan Boltzman(5,67.10 W / m. K ), ε είναι ο συντελεστής εκποµπής (resultant emissivity) που δείχνει την αποδοτικότητα της επιφάνειας εκποµπής και δίνεται από τη σχέση : 1 ε = (1.9) 1/ ε + 1/ ε 1 e όπου ε e είναι η ικανότητα εκποµπής της επιφάνειας που εκπέµπει, καιε r η ικανότητα εκποµπής της λαµβάνουσας επιφάνειας. Οι τιµές που µπορεί να πάρει είναι από 0 έως 1. r 19

20 1.5. Προσδιορισµός των θερµοκρασιών µε προγράµµατα θερµικής µεταφοράς Για γενικά προβλήµατα θερµικής µεταφοράς σε σύνθετα δοµικά στοιχεία (composite construction) όπου εµφανίζονται µεγάλες θερµοκρασιακές διαβαθµίσεις, αναπόφευκτα χρησιµοποιούνται προγράµµατα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Προγράµµατα θερµικής µεταφοράς που είναι διαθέσιµα για τους πολιτικούς µηχανικούς είναι TASEF (WICKSTROM 1979), FIRES T3 (IDING et al 1977a), SAFIR (FRANSSEN at al 2000), όπως επίσης και προγράµµατα πεπερασµένων στοιχείων ANSYS, ABAQUS. Όλα τα παραπάνω προγράµµατα βασίζονται στην ίδια γενική εξίσωση : T. T x. T k + k.. T 2 y + k 2 z = pc 2 x y z t (1.10) η επίλυση της οποίας, αποσκοπεί να βρει τις θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στο δοµικό στοιχείο που µελετάται. Για να βρούµε συγκεκριµένες λύσεις στην παραπάνω εξίσωση θα πρέπει να οριστούν συνοριακές συνθήκες (boundary conditions). Για ένα γενικό πρόβληµα θερµικής µεταφοράς υπάρχουν τρεις τύποι συνοριακών συνθηκών : η θερµοκρασία, η θερµική ροή και η συνοριακή συνθήκη που περιγράφει το πρόβληµα θερµικής µεταφοράς σε ένα δοµικό στοιχείο που εκτίθεται σε συνθήκες πυρκαγιάς και δίνεται από τη σχέση : Τ kη. = h f. Τ η (1.11) όπου hf = hc + hr είναι ο συνολικός συντελεστής µεταφοράς θερµότητας και Τ η θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ των αερίων του περιβάλλοντος και της συνοριακής επιφάνειας του δοµικού στοιχείου. Το κύριο πρόβληµα είναι να προσδιοριστεί ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας δια ακτινοβολίας h r. Θεωρείται σε αυτά τα προγράµµατα ότι ο συντελεστής διαµόρφωσης φ = 1 δηλαδή η φωτιά βρίσκεται σε επαφή µε το δοµικό στοιχείο και ο συντελεστής εκποµπής ε δίνεται από τη σχέση (1.9). Επίσης σε προβλήµατα θερµικής µεταφοράς απαραίτητες είναι οι θερµικές ιδιότητες των υλικών που επηρεάζουν την αύξηση και τη διανοµή της θερµοκρασίας στην κατασκευή. Τα παραπάνω προγράµµατα δίνουν αποτελέσµατα µε την ίδια ακρίβεια και η επιλογή του προγράµµατος που θα χρησιµοποιηθεί εξαρτάται από τη ευκολία χρήσης του προγράµµατος. 20

21 1.6 Προσδιορισµός των θερµοκρασιών χαλύβδινων δοµικών στοιχείων µε αριθµητικές σχέσεις Για τα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία ο υπολογισµός των θερµοκρασιών γίνεται, είτε µε τη βοήθεια προγραµµάτων που θεωρούν δισδιάστατη ή τρισδιάστατη διανοµή, είτε µε απλές υπολογιστικές µεθόδους που εκτίθενται παρακάτω. Πρώτα όµως πρέπει να δοθούν οι θερµικές ιδιότητες του χάλυβα και να προσδιοριστεί ο συντελεστής διατοµής Θερµικές ιδιότητες του χάλυβα Η πυκνότητα ρ, Η ειδική θερµότητα c a, Η θερµική αγωγιµότητα k H πυκνότητα του χάλυβα p, δηλαδή η µάζα του υλικού ανά µονάδα όγκου δεν µεταβάλλεται 3 µε τη θερµοκρασία και έχει τιµή 7850 kg / m. Η ειδική θερµότητα c a, περιγράφει το ποσό της εισαγόµενης θερµότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερµοκρασία της µοναδιαίας µάζας του υλικού κατά 1 o C. Για απλούς υπολογισµούς υιοθετούµε µια µέση ειδική θερµότητα του χάλυβα ίση µε o cs = 600 J/ kg C. Η ειδική θερµότητα αυξάνεται δραµατικά στους 700 o C κατά τη διάρκεια της µεταλλουργικής αλλαγής του χάλυβα και στο σηµείο αυτό µπορεί να υπάρξει µια ελαφρώς µικρή καθυστέρηση στην αύξηση της θερµοκρασίας, σε µια καθορισµένη ιδεατή δοκιµή φωτιάς. Πάνω από 750 o C η ειδική θερµότητα πέφτει σε χαµηλότερο επίπεδο όπως φαίνεται και στο Σχήµα 1.7. ο ο Για 20 C < 600 C θ α c 425 7, θ 1, θ 2, θ a α α α = + + (1.12) 21

22 ο ο Για 600 C < 735 C c a θ α = θ α ο ο Για 900 C 1200 C c a = θ α θ α (1.13) (1.14) Σχήµα 1.7 : Μεταβολή της ειδικής θερµότητας σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία Η θερµική αγωγιµότητα k για το χάλυβα είναι το ποσό της θερµότητας ανά δευτερόλεπτο, που διέρχεται από τη µονάδα επιφάνειας του υλικού για µοναδιαία αύξηση της θερµοκρασίας (µεταβολή θερµοκρασίας 1 o C ανά µονάδα µήκους). Αυτή η παράµετρος δεν είναι τόσο σηµαντική για το χάλυβα όσο για τα υλικά προστασίας του χάλυβα. Και τούτο γιατί η θερµική αγωγιµότητα του χάλυβα είναι 50 φορές µεγαλύτερη από τη θερµική αγωγιµότητα του τσιµέντου και 500 φορές µεγαλύτερη από τα κοινά υλικά προστασίας. Η θερµική 22

23 o αγωγιµότητα του χάλυβα είναι περίπου 54 W / m C σε θερµοκρασία δωµατίου και o µειώνεται σε µια µέση τιµή 45 W / m C σε υψηλότερες θερµοκρασίες. Η σχέση της θερµικής αγωγιµότητας µε τη θερµοκρασία φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Σχήµα 1.8 : Θερµική αγωγιµότητα για το χάλυβα σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία Συντελεστής διατοµής για µη µονωµένα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία Οι µη προστατευµένες χαλύβδινες διατοµές θερµαίνονται γρήγορα κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς, ιδιαιτέρα εάν η διατοµή είναι µικρών διαστάσεων και εκτίθεται µεγάλη επιφάνεια του δοµικού στοιχείου. Για να προσδιορίσουµε το ρυθµό αύξησης της θερµοκρασίας σε ένα χαλύβδινο στοιχείο είναι απαραίτητος ο προσδιορισµός του συντελεστή διατοµής (section A factor), m V, όπου 2 µήκους [ m / m ] και V ο όγκος του στοιχείου ανά µονάδα µήκους A m η εκτιθέµενη στην πυρκαγιά επιφάνεια του στοιχείου ανά µονάδα 3 [ m / m ]. Ο συντελεστής διατοµής είναι µια σηµαντική παράµετρος που καθορίζει τη θερµοκρασιακή αύξηση σε ένα χαλύβδινο στοιχείο. Όσο αυξάνεται ο συντελεστής διατοµής, αυξάνεται και η εκτιθέµενη στη φωτιά επιφάνεια, δηλαδή η εισαγόµενη θερµότητα στο στοιχείο, µε αποτέλεσµα την αύξηση της θερµοκρασίας. 23

24 Παραδείγµατα υπολογισµού του συντελεστή διατοµής για τις συνήθεις χαλύβδινες διατοµές δίνονται παρακάτω. Χαλύβδινη διατοµή IPE που εκτίθεται σε όλες τις πλευρές. Χαλύβδινη διατοµή RHS που εκτίθεται σε όλες τις πλευρές Θερµοκρασιακή αύξηση των χαλύβδινων δοµικών στοιχείων Για να υπολογίσουµε τη θερµοκρασιακή διανοµή σε ένα δοµικό στοιχείο που εκτίθεται σε συνθήκες πυρκαγιάς, απαιτούνται αριθµητικές µέθοδοι. Οι θερµοκρασίες των δοµικών στοιχείων υπολογίζονται µε τη βοήθεια των προγραµµάτων που αναφέρθηκαν ανωτέρω για την αντιµετώπιση του προβλήµατος µεταφοράς θερµότητας, θεωρώντας είτε δισδιάστατη είτε τρισδιάστατη θερµική διανοµή. Η δισδιάστατη θερµική διανοµή είναι και η πιο κατάλληλη για τις περισσότερες περιπτώσεις, θεωρώντας την ίδια θερµοκρασία σε κάθε σηµείο κατά µήκος του δοµικού στοιχείου που είναι αποδεκτό, αν η θερµοκρασία της φωτιάς είναι οµοιόµορφη σε όλο το διαµέρισµα. Όταν µια φωτιά εξελίσσεται σε µεγαλύτερο χώρο, τότε προτιµάται µια τρισδιάστατη θερµοκρασιακή διανοµή, όπως επίσης τρισδιάστατη θερµοκρασιακή διανοµή προτιµάται και στην περιοχή των κόµβων. Υπόθεση συγκεντρωµένης µάζας Ωστόσο για δυο κοινές περιπτώσεις προστατευµένων και µη προστατευµένων χαλύβδινων διατοµών, που εκτίθενται σε πρότυπες καµπύλες πυρκαγιάς, έχουν διαµορφωθεί απλές αναλυτικές σχέσεις, που κάνουν δυνατό το γρήγορο υπολογισµό των θερµοκρασιών. Αυτές οι απλές αναλυτικές σχέσεις έχουν παραχθεί χρησιµοποιώντας τη µέθοδο της συγκεντρωµένης µάζας, δηλαδή όλη η µάζα του χάλυβα να έχει την ίδια θερµοκρασία. Η αξιοπιστία αυτής της υπόθεσης εξαρτάται από το ρυθµό µεταφοράς θερµότητας µέσα στο υλικό, δηλαδή τη θερµική του αγωγιµότητα και το πάχος του. Για να ισχύει η παραπάνω υπόθεση θα πρέπει το πάχος του δοµικού στοιχείου να µη ξεπερνάει τα 100mm. Για να το αποδείξουµε αυτό θα πρέπει να θεωρήσουµε ένα δοµικό 24

25 στοιχείο, π.χ. µια πλάκα, η οποία υπόκειται σε µια ξαφνική αύξηση της θερµοκρασίας. Η πλάκα θεωρείται ότι έχει οµοιόµορφη διανοµή θερµοκρασίας και η µέθοδος της συγκεντρωµένης µάζας µπορεί να εφαρµοστεί όταν Bi < 0.1 (Biot number) (Carslaw and Jaeger 1959). ht. Bi = (1.15) 2k όπου h είναι ο συνολικός συντελεστής µεταφοράς θερµότητας, t το πάχος της πλάκας και k η θερµική αγωγιµότητα. Η θερµική αγωγιµότητα του χάλυβα λαµβάνεται ίση µε k = 50 W /( m. K). Ο συνολικός συντελεστής µεταφοράς θερµότητας είναι το άθροισµα του συντελεστή µεταφοράς λόγω ακτινοβολίας και του συντελεστή µεταφοράς µε µεταγωγή. Για συντελεστή εκποµπής ε r = 0.5 και θερµοκρασία T 1000 o 2 = Cο συντελεστής ακτινοβολίας θα είναι h = 84 W /( m. K). Θεωρώντας το συντελεστή µεταγωγής προκύπτει h W m K 2 = 109 /(. ). Άρα το µέγιστο πάχος θα είναι : c 2 25 /(. ) h = W m K, ο συνολικός συντελεστής 0, t = = 0,092m = 92mm. 109 Συνήθως οι χαλύβδινες διατοµές έχουν πάχος πολύ µικρότερο από το παραπάνω. Έτσι η µέθοδος της συγκεντρωµένης µάζας µπορεί να χρησιµοποιηθεί. r Ο υπολογισµός της θερµοκρασίας σε συνάρτηση µε το χρόνο µπορεί να υπολογιστεί µε τη µέθοδο διαδοχικών προσεγγίσεων (step by step) ή µε τη βοήθεια µιας προσεγγιστικής σχέσης που δίνει απευθείας το χρόνο ως συνάρτηση της θερµοκρασίας και του συντελεστή διατοµής. Οι παραπάνω τρόποι προσδιορισµού της αύξησης της θερµοκρασίας των χαλύβδινων διατοµών αναφέρονται στην έκθεση αυτών στην πρότυπη πυρκαγιά ή γενικώς σε πρότυπες καµπύλες. Μέθοδος διαδοχικών προσεγγίσεων.η µέθοδος αυτή απαιτεί τη χρήση υπολογιστικού φύλλου και η εξίσωση στην οποία βασίζεται δίνεται παρακάτω : 1 Am D q = at.. h net. d. t c. r V D (1.16) a a D q at. : η αύξηση της θερµοκρασίας του χάλυβα κατά το χρονικό διάστηµα t 25

26 c a : η ειδική θερµότητα του χάλυβα (συνήθως λαµβάνεται ίση µε 520 J/ Kg. o C) r : η πυκνότητα του χάλυβα ίση µε7850 Kg / m a A m : η εκτεθειµένη στην πυρκαγιά επιφάνεια ανά µονάδα µήκους 3 V : ο όγκος του στοιχείου ανά µονάδα µήκους [ m / m ] A m : ο συντελεστής διατοµής για χαλύβδινα στοιχεία χωρίς µόνωση V q = q η θερµοκρασία των αερίων του περιβάλλοντος και r g 3 2 [ m / m ] h είναι η καθαρή θερµική ροή και δίνεται από την παρακάτω σχέση : net. d h (1.17) = e,..[( ) ( ) ].( ) net. d res qr qm + hc qg qm Ο Ευρωκώδικας (EC1 1994) προτείνει µια σταθερή τιµή για το συντελεστή 2 2 µεταγωγής h = 25 W /( m. K) για την πρότυπη πυρκαγιά, και h = 50 W /( m. K) για c την καµπύλη υδρογονανθράκων. Μια τιµή για το συντελεστή εκποµπής e res =0,5 προτείνεται από τον (EC1 1994), θεωρώντας το συντελεστή εκποµπής των αερίων της φωτιάς και το συντελεστή εκποµπής της λαµβάνουσας επιφάνειας 0,67 και χρησιµοποιώντας την εξίσωση (1.9). Ο υπολογισµός της θερµοκρασίας του χάλυβα θα γίνει µε διαδοχικές προσεγγίσεις λαµβάνοντας κατάλληλη τιµή για το χρονικό διάστηµα t. Η µέθοδος αυτή βασίζεται στην αρχή ότι η εισαγόµενη θερµότητα στο χάλυβα, µέσω της εκτιθέµενης στην πυρκαγιά επιφάνειας, σε µικρό χρονικό διάστηµα, είναι ίση µε τη θερµότητα που απαιτείται για να αυξηθεί η θερµοκρασία του στοιχείου κατά D q at.. Για να ισχύει αυτή η αρχή θεωρούµε ότι η διατοµή του χάλυβα είναι µια συγκεντρωµένη µάζα µε οµοιόµορφη θερµοκρασία. Εισαγόµενη θερµότητα = θερµότητα που απαιτείται να αυξηθεί η θερµοκρασία c Επιλέγουµε ως βήµα ανάλυσης όχι περισσότερο από 5 sec και η ελάχιστη τιµή του 1 συντελεστή διατοµής πρέπει να είναι 10m. Αυτή η µέθοδος µε τους παραπάνω περιορισµούς δίνει µια πολύ καλή πρόβλεψη της µεταβολής της θερµοκρασίας µε το χρόνο ενός χαλύβδινου µη προστατευµένου δοµικού στοιχείου, το οποίο εκτίθεται σε γνωστές συνθήκες µεταβολής θερµοκρασίας-χρόνου. Ο παρακάτω πίνακας περιέχει συγκεντρωµένα τα αποτελέσµατα της µεταβολής της θερµοκρασίας των χαλύβδινων δοµικών στοιχείων σύµφωνα µε τη µέθοδο διαδοχικών προσεγγίσεων, όταν εκτίθενται σε συνθήκες πρότυπης πυρκαγιάς. 26

27 Πίνακας 1.2 :Μεταβολή της θερµοκρασίας των χαλύβδινων στοιχείων που εκτίθενται στην ISO

28 Οι καµπύλες µεταβολής της θερµοκρασίας για συντελεστές διατοµής A V 100m 1 =, A V 200m 1 = δίνονται στο παρακάτω σχήµα. A V 10m 1 =, Οι παραπάνω καµπύλες είναι: η πρότυπη ISO 834, δηλαδή η καµπύλη µεταβολής της θερµοκρασίας της πυρκαγιάς, και οι καµπύλες µεταβολής της θερµοκρασίας των χαλύβδινων δοµικών στοιχείων για διαφορετικούς συντελεστές διατοµής. A 1 Παρατηρούµε ότι, για = 10m η αύξηση της θερµοκρασίας του χαλύβδινου δοµικού V A 1 στοιχείου είναι αργή και γραµµική, ενώ η αύξηση της θερµοκρασίας για = 100m είναι V γρήγορη και η καµπύλη ακολουθεί την καµπύλη αύξησης της θερµοκρασίας της φωτιάς. A 1 Επιπλέον για = 200m µετά τα 20 πρώτα λεπτά η καµπύλη µεταβολής θερµοκρασίας του V χαλύβδινου στοιχείο ταυτίζεται µε τη καµπύλη µεταβολής θερµοκρασίας της φωτιάς. Όσο αυξάνεται η εισαγόµενη θερµότητα µέσω της εκτιθέµενης στην πυρκαγιά επιφάνεια αυξάνονται και οι θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στα χαλύβδινα στοιχεία. 28

29 Προσεγγιστική σχέση θερµοκρασίας - χρόνου Για τον υπολογισµό της θερµοκρασίας του µη µονωµένου χαλύβδινου δοµικού στοιχείου σε σχέση µε το χρόνο µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί και η παρακάτω προσεγγιστική σχέση για απλοποίηση των υπολογισµών υπό τους εξής περιορισµούς : t = 10 80min o θ α. t = C Am 1 = m V Αν θέλουµε να υπολογίσουµε το χρόνο για τον οποίο θα επιτευχθεί µια συγκεκριµένη θερµοκρασία χρησιµοποιούµε τη παρακάτω σχέση : Αm 6 tθ = 0,54.( θα 50).( ) [min] (1.17) V Αν θέλουµε να υπολογίσουµε τη θερµοκρασία που θα επιτευχθεί για ορισµένο χρόνο χρησιµοποιούµε την παρακάτω σχέση Am 0,6 o θ α. t = 1,85. t.( ) + 50[ C] (1.18) V Οι δύο παραπάνω τύποι αποτελούν εκφράσεις της ίδιας σχέσης θερµοκρασίας χρόνου. 29

30 1.7 Παθητική πυροπροστασία Στις χαλύβδινες κατασκευές που εκτίθενται σε συνθήκες πυρκαγιάς αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερµοκρασίες σε µικρό χρονικό διάστηµα. Αυτό οφείλεται στην υψηλή θερµική αγωγιµότητα του υλικού, που αποτελεί έναν καλό αγωγό της θερµότητας. Σε µια θερµοκρασία, η οποία ονοµάζεται κρίσιµη θερµοκρασία γύρω στους 400 o C µε 600 o C, ο χάλυβας χάνει µέρος της αντοχής του και αναµένεται αστοχία σε ένα χαλύβδινο δοµικό στοιχείο για ένα δεδοµένο επίπεδο φόρτισης. Πιο συγκεκριµένα θεωρείται ότι διατηρεί τη µισή αντοχή του σε θερµοκρασία των 550 o C. Η θερµοκρασία στην οποία θεωρούµε ότι λιώνει το υλικό, είναι οι 1500 o C, αν και σε δοκιµές πυραντίστασης δεν έχει ξεπεράσει τους 1200 o C. Σκοπός της πυραντίστασης είναι : Να µειώσει το ρυθµό αύξησης της θερµοκρασίας στο χαλύβδινο δοµικό στοιχείο, αλλά και να αποφευχθεί οποιαδήποτε πρόωρη κορύφωση της θερµοκρασίας, επιτυγχάνοντας έτσι να δώσει το απαραίτητο χρονικό περιθώριο στους ανθρώπους που έχουν εγκλωβιστεί ώστε να διαφύγουν, πριν συµβεί µερική ή και ολική κατάρρευση του φορέα. Να εµποδίσει την εξάπλωση της φωτιάς και σε άλλους χώρους της ίδιας της κατασκευής αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο κατάρρευσης, αλλά και να µειώσει την πιθανότητα της διάδοσης της φωτιάς και σε άλλα κτίρια. Ιδιαίτερα αυτός ο κίνδυνος υπάρχει στις µεγαλουπόλεις όπου τα κτίρια διαχωρίζονται µόνο από τοίχους και η πιθανότητα να διαδοθεί η φωτιά σε ολόκληρο οικοδοµικό τετράγωνο, εάν δεν ληφθούν τα κατάλληλα µέτρα, είναι µεγάλη. Για να εξασφαλιστεί η απαραίτητη πυραντίσταση ενός κτιρίου θα πρέπει να προβλέψουµε την εφαρµογή θερµοµονωτικών υλικών που µειώνουν το ρυθµό ροής της θερµότητας. Η επιλογή αυτών των υλικών γίνεται µε βάση τις θερµικές ιδιότητές τους. Η θερµική αγωγιµότητα είναι µια βασική παράµετρος που καθορίζει την απόδοση του υλικού στη µετάδοση της θερµότητας. Αυτό οφείλεται στο ότι η θερµική ροή είναι αµέσως ανάλογη µε τη θερµική αγωγιµότητα. Στα υλικά µε χαµηλή θερµική αγωγιµότητα, η παρουσία των κενών που διανέµονται στη δοµή του υλικού συνεισφέρουν στη θερµοµονωτική τους αξία. Τα υλικά αυτά αναφέρονται ως ελαφριά µόνωση και είναι ο γύψος, ο βερµικουλίτης, οι ορυκτές ίνες και ο περλίτης. Υπάρχουν όµως και υλικά που συµπεριφέρονται ικανοποιητικά σε περίπτωση πυρκαγιάς χωρίς να έχουν εξαιρετικά χαµηλή θερµική αγωγιµότητα. Η συµπεριφορά τους αυτή οφείλεται στην ικανότητα να απορροφούν θερµότητα µε αποτέλεσµα να παρουσιάζεται µια καθυστέρηση στην θερµοκρασιακή αύξηση. Αυτού του είδους η µόνωση ονοµάζεται βαριά µόνωση (heavy insulation) και ως υλικό µόνωσης χρησιµοποιείται το τσιµέντο. 30

31 Η εφαρµογή των µονωτικών γίνεται, είτε µε τη µορφή προστασίας περιβάλλουσας στο δοµικό στοιχείο, είτε µε µορφή προστασίας πινάκων και εξαρτάται από το υλικό. Παρακάτω αναφέρονται αναλυτικά τα υλικά και ο τρόπος εφαρµογής τους 1.8 Υλικά πυροπροστασίας Υλικά βαριάς µόνωσης Τσιµέντο Ο πιο παραδοσιακός τρόπος πυροπροστασίας είναι να περικλείσουµε τη διατοµή µε χυτό σκυρόδεµα όπως φαίνεται και στην Εικόνα 1.3. Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα αυτού του συστήµατος είναι η εξαιρετική αντοχή του σε διαβρωτικό περιβάλλον. Το απαιτούµενο πάχος του τσιµέντου για να πετύχουµε την προβλεπόµενη πυραντίσταση, δίνεται από Κώδικες. Στην περίπτωση της πυρκαγιάς, για να εξασφαλιστεί η παραµονή του τσιµέντου στη θέση του, πρέπει να προβλεφθεί ένα ελάχιστο ποσοστό οπλισµού. Αν ο οπλισµός υπερβαίνει το προκαθορισµένο ελάχιστο ποσοστό, τότε ο σχεδιασµός του δοµικού στοιχείου πρέπει να γίνει για σύµµικτη κατασκευή λαµβάνοντας υπόψη και τα τρία υλικά. Αυτή η µέθοδος δεν είναι ευρέως διαδεδοµένη, καθώς είναι ακριβή και χρονοβόρα. Εικόνα 1.3 :Xαλύβδινη δοκός και υποστήλωµα µε πυροπροστασία σκυροδέµατος σε µορφή πίνακα 31

32 Η πλήρωση των χαλύβδινων διατοµών µε σκυρόδεµα εκτός από το ότι ενισχύει τη φέρουσα ικανότητα του δοµικού στοιχείου συνεισφέρει και στην καλύτερη συµπεριφορά της διατοµής σε περίπτωση πυρκαγιάς. Εικόνα 1.4 : Σωληνωτή χαλύβδινη διατοµή µε σκυρόδεµα Το πλεονέκτηµα στην παραπάνω περίπτωση που η πυροπροστασία είναι εσωτερική, είναι ότι ο χάλυβας µπορεί να βαφεί εξωτερικά χωρίς κανένα πρόβληµα. Το σκυρόδεµα συµβάλει στη φέρουσα ικανότητα του δοµικού στοιχείου, αλλά και απορροφά ένα µέρος της θερµότητας επιβραδύνοντας τη θερµοκρασιακή αύξηση στο δοµικό στοιχείο. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί απλό σκυρόδεµα µε έναν απαιτούµενο ελάχιστο οπλισµό, ή οπλισµένο. Μια ενδιαφέρουσα περίπτωση που πρέπει να αναφερθεί είναι η πλήρωση µε νερό σωληνωτών χαλύβδινων διατοµών µε σκοπό να βελτιωθεί η αντίσταση τους σε πυρκαγιά. Ένα µέρος της διοχετευόµενης ενέργειας καταναλώνεται εξαιτίας της πυρκαγιάς, για να θερµανθεί και να εξατµιστεί το νερό. Αυτή η µέθοδος είναι πολύ ακριβή, καθόλου πρακτική και γίνεται µόνο σε ειδικές περιπτώσεις όπως το κτίριο πλαισιακού τύπου στο Hannover της Γερµανίας, που κατασκευάστηκε µε την άδεια του International Iron and Steel Institute Brussels. Ένα υδραυλικό σύστηµα πρέπει να ελέγχει τις πιέσεις, για να αποφεύγεται η υπερβολική αύξησή τους, όταν θερµαίνεται το νερό. Στην παρούσα διπλωµατική εργασία δεν θα µας απασχολήσουν οι παραπάνω περιπτώσεις. Τα υλικά που θα επιλέξουµε θα ανήκουν στην κατηγορία της ελαφριάς µόνωσης, όπου η θερµοµονωτική τους αξία εξαρτάται ουσιαστικά από τη θερµική αγωγιµότητα και δεν συµβάλλουν στη µηχανική αντοχή του δοµικού στοιχείου. Τέτοια υλικά είναι τα παρακάτω. 32

33 1.8.2 Υλικά ελαφριάς µόνωσης Συστήµατα πινάκων Υπάρχουν πολλά συστήµατα πινάκων για την πυροπροστασία του δοµικού χάλυβα.. Οι περισσότεροι πίνακες κατασκευάζονται από πυριτικό άλας ασβεστίου ή ασβεστοκονίαµα γύψου. Οι πίνακες πυριτικού ασβεστίου είναι πιο ακριβοί, διότι οι χώρες παραγωγής είναι λίγες. Φτιάχνονται από ένα υλικό αδρανές που είναι σχεδιασµένο να παραµένει στη θέση του χωρίς να αποκολληθεί καθ όλη τη διάρκεια της πυρκαγιάς και οι θερµοµονωτικές του ιδιότητες είναι άριστες. Οι πίνακες από ασβεστοκονίαµα γύψου έχουν επίσης πολύ καλές θερµοµονωτικές ιδιότητες και η συµπεριφορά τους είναι βελτιωµένη εξαιτίας της υγρασίας η οποία εξατµίζεται κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς. Με αυτό τον τρόπο έχουµε µια καθυστέρηση στην αύξηση της θερµοκρασίας περίπου στους 100 o C. Με την εξάτµιση της υγρασίας όµως µειώνεται η αποµένουσα αντοχή. Τα µεγάλα πλεονεκτήµατα της πυροπροστασίας µε µορφή πίνακα είναι η ευκολία τοποθέτησής τους µε στεγνή διαδικασία και η χρήση τους ως διακοσµητικά στοιχεία. Η πυροπροστασία µε µορφή πίνακα χρησιµοποιείται στις κολώνες περισσότερο από ότι στις δοκούς και η διαδικασία τοποθέτησης είναι αργότερη και ακριβότερη από την εφαρµογή υλικών µε µορφή σπρέι. Οι πίνακες συνήθως στερεώνονταί µε κόλλα ή µε βίδες πάνω σε µια µεταλλική ή ξύλινη πλάκα, που µε τη σειρά της στερεώνεται στο χαλύβδινο στοιχείο. Ο αριθµός και το πάχος των στρώσεων εύκολα προσαρµόζονται ανάλογα µε την κάθε εφαρµογή. Εικόνα 1.6: Λεπτοµέρεια χαλύβδινης δοκού µε χρήση πίνακα για πυροπροστασία 33

34 Εικόνα 1.7 : Προστασία µε µορφή πίνακα για χαλύβδινο υποστήλωµα Υλικά προστασίας σε µορφή σπρέι Τα υλικά σε µορφή σπρέι είναι η πιο φθηνή µορφή παθητικής πυροπροστασίας για τα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία. Η σύσταση αυτών των υλικών συνήθως βασίζεται στο τσιµέντο. Στα υλικά αυτά περιέχονται επίσης γυαλί η κυτταρινικές ίνες που αποσκοπούν να προσδώσουν συνάφεια στο υλικό. Η προηγούµενη γενιά υλικών σε σπρέι περιείχε ίνες αµιάντου που δε χρησιµοποιούνται πια για λόγους υγείας. Τα µειονεκτήµατα των υλικών σε µορφή σπρέι είναι ότι η διαδικασία τοποθέτησης τους είναι υγρή και κοπιαστική και τα τελειώµατα δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως διακοσµητικά στοιχεία. 34

35 Τα υλικά σε µορφή σπρέι είναι αρκετά εύκαµπτα και θα πρέπει να προφυλάσσονται από τη φθορά, αν βρίσκονται σε περιβάλλον ευπρόσβλητο. Γι αυτό και χρησιµοποιούνται συνήθως σε δοκούς και όχι σε υποστηλώµατα. Επίσης είναι εύκολο να εφαρµοσθούν σε κόµβους. Για τα εγκεκριµένα υλικά θα πρέπει να αποδειχθεί η ικανότητα να παραµένουν σε επαφή µε το χάλυβα κατά τη διάρκεια της έκθεσης στη φωτιά. Γίνονται λοιπόν δοκιµές για τον έλεγχο της δυνατότητας συνάφειας και προσκόλλησης στο δοµικό στοιχείο. Το απαιτούµενο πάχος των υλικών σε µορφή σπρέι πρέπει να δοθεί από την παρασκευάστρια εταιρία, έτσι ώστε να προσδώσουν την απαραίτητη πυραντίσταση. Εικόνα 1.8 Τα υλικά σε µορφή σπρέι τοποθετούνται εύκολα σε κόµβους Εικόνα 1.9 Υλικά σε µορφή σπρέι σε χαλύβδινες δοκούς 35

36 ιογκούµενη βαφή Τα υλικά αυτά εφαρµόζονται υπό µορφή βαφής, έχουν την ιδιότητα να διογκώνονται στη θερµοκρασία των 200 o C και να αποκτούν µορφή θερµοµονωτικού αφρού µε πάχος πολύ µεγαλύτερο από το αρχικό. Με αυτό τον τρόπο µειώνουν το ρυθµό αύξηση της θερµοκρασίας στα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία, παρατείνοντας έτσι τη φέρουσα ικανότητα τους. Κατά την εφαρµογή τους, το πάχος υλικού που απαιτείται για να προσδώσουν την απαραίτητη πυραντίσταση είναι µικρό. ιατίθενται σε πολλά χρώµατα και αποτελούν διακοσµητικά στοιχεία συµπληρώνοντας τις δηµιουργικές δυνατότητες σχεδιασµού του χάλυβα. Ένα µειονέκτηµα είναι το υψηλό κόστος σε σύγκριση µε τους πίνακες και τα υλικά σε µορφή σπρέι, το οποίο ανεβαίνει ιδιαίτερα αν θέλουµε να επιτύχουµε µεγαλύτερης διάρκειας πυραντίσταση. Η εφαρµογή τους πρέπει να γίνεται από εξειδικευµένους εργάτες και σε ειδικές συνθήκες. Βέβαια καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται οι διογκούµενες βαφές γίνονται αρκετά ανταγωνιστικές και σιγά σιγά εγκαταλείπεται η χρήση του τσιµέντου ως πυροπροστατευτικό υλικό. Εικόνα 1.10 :Kτίρια στα οποία έχουν εφαρµοστεί διογκούµενες βαφές 36

37 1.9.Υπολογισµός θερµοκρασιών για µονωµένα χαλύβδινα στοιχεία Για ένα µονωµένο χαλύβδινο στοιχείο, η µόνωση επιβραδύνει το ρυθµό αύξησης της θερµοκρασίας στο δοµικό στοιχείο. Έτσι ουσιαστικά οι θερµοκρασίες στα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία διατηρούνται σε χαµηλά επίπεδα για το απαραίτητο χρονικό διάστηµα που έχει οριστεί από τους Κανονισµούς Πυροπροστασίας. Η ικανότητα των µονωτικών να επιβραδύνουν το ρυθµό αύξησης της θερµοκρασίας στα χαλύβδινα δοµικά στοιχεία οφείλεται στις θερµικές ιδιότητες τους και εξαρτάται από το πάχος της µόνωσης και το συντελεστή διατοµής. Για τον υπολογισµό των θερµοκρασιών των χαλύβδινων δοµικών στοιχείων χρησιµοποιούµε προγράµµατα επίλυσης θερµικών προβληµάτων. Όταν το µονωτικό ανήκει στην κατηγορία ελαφριάς µόνωσης και δε παρατηρούνται θερµοκρασιακές διαβαθµίσεις, τότε µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε αριθµητικές µεθόδους Θερµικές ιδιότητες µονωτικών υλικών Για να υπολογίσουµε τις θερµοκρασίες στα µονωµένα χαλύβδινα στοιχεία, θα πρέπει να γνωρίζουµε τις θερµικές ιδιότητες των µονωτικών υλικών, οι οποίες ποιοτικά δόθηκαν στην περιγραφή των υλικών. Οι θερµικές ιδιότητες των µονωτικών είναι πολύ πιο δύσκολο να προσδιοριστούν. Αυτό οφείλεται εν µέρει στην συγκεκριµένη φύση των υλικών πυροπροστασίας, λόγω της οποίας σε υψηλές θερµοκρασίες πραγµατοποιούνται περίπλοκες χηµικές αντιδράσεις. Παρακάτω δίνονται σε πίνακα οι θερµικές ιδιότητες των µονωτικών υλικών. Ο πίνακας αυτός µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως γενικός οδηγός µερικών τύπων πυροπροστατευτικών υλικών. Πίνακας 1.3 : Θερµικές ιδιότητες των µονωτικών υλικών 37