TEE, Περιφερειακό Τμήμα Πελοποννήσου ΕΜΠ, Εργαστήριο Ω.Σ. Ημερίδα για τα πυρόπληκτα κτήρια ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΥΨΗΛΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΣΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Γ. ΤΡΕΖΟΣ Μεγαλόπολη, 13 Οκτωβρίου 2007 1
Μας ενδιαφέρουν οι ιδιότητες των υλικών: Κατά την διάρκεια της έκθεσής τους σε υψηλές θερμοκρασίες: επηρεάζουν: την πυρασφάλεια των κατασκευών (δυνατότητα διαφυγής των χρηστών) καθώς και την ασφάλεια της ζωής των πυροσβεστών. Μετά την απόψυξή τους και επαναφορά στην θερμοκρασία περιβάλλοντος: λαμβάνονται υπόψη για: την αποτίμηση και την επισκευή των κατασκευών μετά από μια πυρκαγιά. 2
Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς Βασική απαίτηση η προστασία: των ατόμων, της κοινωνίας, της περιουσίας και του περιβάλλοντος 3
Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς Κριτήρια για την ικανοποίηση των απαιτήσεων: Κριτήριο R: Η εξασφάλιση της φέρουσας ικανότητας της κατασκευής για ένα χρονικό διάστημα (π.χ. 30min ή 60min κλπ) Κριτήρια Ε & Ι (Exposure, Insulation): περιορισμός της ανάπτυξης και της επέκτασης της φωτιάς και του καπνού ( Δυνατότητα διαφυγής ή/και διάσωσης των Χρηστών Μέριμνα για την ασφάλεια των διασωστώνπυροσβεστών 4
Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς Σχετικοί Ευρωκώδικες: EN 1991-1-2: Actions on structures exposed to fire EN 1992-1-2:Design of concrete structures - Structural fire design ΕΝ 1993-1-2: Design of steel structures - Structural fire design EN 1994-1-2: Design of composite steel and concrete structures - Structural fire design. EN 1995-1-2: Design of timber structures - Structural fire design EN 1996-1-2: Design of masonry structures - Structural fire design EN 1999-1-2: Design of aluminium structures - Structural fire design 5
ΥΛΙΚΑ Σκυρόδεμα Χάλυβας Ξύλο Τοιχοποιία 6
Σκυρόδεμα Δεν καίγεται, έχει μικρή θερμική αγωγιμότητα, ενδόθερμες αντιδράσεις στον τσιμεντοπολτό Αποφλοίωση υπέρβαση της εφελκυστικής αντοχής κυρίως λόγω της αύξησης της πίεσης των πόρων που προκαλείται από τους υδρατμούς της θερμικής διαστολής των αδρανών. Εξαρτάται από: το ποσοστό της υγρασίας, την ταχύτητα της θέρμανσης, το πορώδες και την περατότητα. Μειώνεται με: Ίνες προπυλενίου Ψεκασμό της επιφάνειας με υλικά που επιβραδύνουν την μετάδοση της θερμότητας Τοποθέτηση επιφανειακής μονωτικής επίστρωσης (π.χ. σε σήραγγες) 7
Σκυρόδεμα Ελαφροσκυρόδεμα καλύτερη συμπεριφορά Σκυρόδεμα υψηλής αντοχής: εντονότερη αποφλοίωση (πυρκαγιά σε σήραγγες), μεγαλύτερη ποσοστιαία μείωση αντοχής Προεντεταμένο σκυρόδεμα: Μεγαλύτερη ευαισθησία των χαλύβων προέντασης Απώλεια συνάφειας στις περιπτώσεις προεντεταμένης κλίνης (προκατασκευασμένα στοιχεία) Ινωπλισμένα σκυροδέματα: πρακτικώς μηδενική η αντοχή των επιφανειακών υφασμάτων έναντι πυρκαγιάς, αλλά η παραμένουσα αντοχή της υπόλοιπης διατομής είναι συνήθως επαρκής 8
Σκυρόδεμα: θερμικές ιδιότητες Θερμική αγωγιμότητα (Ευρωκώδικας 2): Σκυρόδεμα ~1/WmK Χάλυβας ~45/WmK Ξύλο ~0.1/WmK Τοιχοποιία ~0.5-1.0/WmK 9
Σκυρόδεμα: θερμικές ιδιότητες Ειδική θερμότητα (Ευρωκώδικας 2): Σκυρόδεμα ~1kJ/kgK Χάλυβας ~1kJ/kgK Ξύλο ~2kJ/kgK Τοιχοποιία ~0.5-1.0kJ/kgK 10
Σκυρόδεμα: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες (κατά την διάρκεια της πυρκαγιάς): εν γένει υποβάθμιση των μηχανικών χαρακτηριστικών Μετά την επάνοδο σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος (μετά την πυρκαγιά): οι μηχανικές ιδιότητες δεν επανέρχονται ή επανέρχονται σε μικρό ποσοστό (να αγνοείται) 11
Θλιπτική αντοχή σκυροδέματος Πειράματα: Κυβικά δοκίμια (15cm), διαφόρων συνθέσεων Θέρμανση σε φούρνο: 30, 60 και 90min 1000 TEMPERATURE=f(TIME) A/A 1-3, W/C=0.5 TEMPERATURE(grad C) 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 250 Heating time 30min TIME(min.) Heating time 60min Heating time 90min ISO F90 12
Μείωση της ανηγμένης αντοχής συναρτήσει της διάρκειας της πυρκαγιάς 1.0 0.8 Fcf/Fco 0.6 TEMPERATURE IN THE CUBE CENTER 1000 0.4 TEMPERATURE (grad C) 800 600 0.2 400 200 0.0 0 20 40 60 80 100 120 0 0 50 100 150 200 250 TIME (min.) OVEN CUBE CENTER ISO Heating time (min) W/C=0.5 W/C=0.6 W/C=0.7 13
fcθ/fck 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Διάγραμμα σ-ε υπό υψηλές θερμοκρασίες Ευρωκώδικας 2 0 5 10 15 20 25 ε (*1000) θ=200 θ=400 θ=600 θ=800 14
Κρουσιμέτρηση : όχι ουσιώδης μεταβολή συναρτήσει της διάρκειας της πυρκαγιάς (σε αντίθεση με την μείωση της αντίστοιχης αντοχής). 1.4 1.2 1.0 Rebound No reduction vs heating time Αρα η κρουσιμέτρηση μετά από πυρκαγιά υπερεκτιμά την αντοχή (οι αντίστοιχες καμπύλες θα έπρεπε να μετατοπισθούν προς τα δεξιά) Rf/Ro 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 80 100 120 Heating time (min) W/C=0.5 W/C=0.6 W/C=0.7 15
Υπέρηχοι: σημαντική μείωση (μεγαλύτερη της αντίστοιχης μείωσης της αντοχής) συναρτήσει της διάρκειας της πυρκαγιάς. Αρα οι υπέρηχοι μετά από πυρκαγιά υποεκτιμούν την αντοχή. (οι αντίστοιχες καμπύλες θα έπρεπε να μετατοπισθούν προς τα αριστερά) Vf/Vo 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 120 Heating time (min) W/C=0.5 W/C=0.6 W/C=0.7 16
Θλιπτική αντοχή σκυροδέματος υπό υψηλές θερμοκρασίες (Ευρωκώδικας 2) fcθ/fck 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Πυριτικά Ασβεστολιθικά Πρακτικώς Απλουστευτικώς 0 100 200 300 400 500 600 700 800 θ ( o C) 17
Μεταβολή του μέτρου ελαστικότητας (BS 8110) Eθ/Ε20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Θερμοκρασία ( ο C) 18
ΣΥΝΑΦΕΙΑ Δοκιμή εξόλκευσης ΓΕΝΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΔΟΚΙΜΗΣ 19
ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ 15 θερμάνσεις (200 C 800 C) 40 δοκίμια ανά ζεύγη ή τριάδες 8 δοκίμια (Μάρτυρες), 4 για κάθε διάμετρο οπλισμού, 20
T [ o C] 800 700 600 500 400 300 200 100 θερμ. 1-320 θερμ. 2-200 θερμ. 3-500 θερμ. 4-500 θερμ. 5-600 θερμ. 6-600 θερμ. 7-500 θερμ. 8-700 θερμ. 9-800 θερμ.10-600 θερμ.11-600 θερμ.12-750 θερμ.13-300 θερμ.14-450 θερμ.15-650 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Χρόνος θέρμανσης [min] 21
Διαγράμματα μετά την επαναφορά σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 τ [MPa] 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 s [mm] 03-020 07-020 11-020 15-020 22-020 23-020 26-020 37-020 21-150 19-200 20-200 42-300 44-300 02-320 09-320 36-350 33-400 34-400 35-400 13-450 29-450 43-450 45-450 06-500 10-500 14-500 18-500 27-500 28-500 40-550 04-600 08-600 25-600 38-600 39-600 05-650 24-650 31-650 41-650 12-700 16-700 30-700 32-700 47-700 46-750 48-750 01-800 17-800 22
Μεταβολή της μέγιστης τάσης συνάφειας συναρτήσει της θερμοκρασίας 1,0 τ max / τ max,m 0,8 0,6 0,4 y = -0,0010x + 1,0107 R 2 = 0,8735 y = -0,0012x + 1,0123 R 2 = 0,9541 0,2 0,0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 T [ o C] 23
Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος Επηρεάζονται: το όριο διαρροής, η εφελκυστική αντοχή και η παραμόρφωση θραύσεως. Επίσης ενδέχεται να εμφανισθούν: ερπυσμός και χαλάρωση μεταβολή της μικροδομής του χάλυβα 24
Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος Η συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες εξαρτάται από: Την θερμοκρασία της έκθεσης Τον χρόνο της έκθεσης Την σύσταση και την μέθοδο παραγωγής των χαλύβων Μετά την επάνοδο σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος οι μεταβολές: είτε παραμένουν είτε αίρονται (μερικώς ή ολικώς) ανάλογα με την μέθοδο παραγωγής, την θερμοκρασία έκθεσης αλλά και με την διάρκεια έκθεσης 25
Χάλυβας: θερμικές ιδιότητες Θερμική αγωγιμότητα (Ευρωκώδικας 3): Σκυρόδεμα ~1/WmK Χάλυβας ~45/WmK Ξύλο ~0.1/WmK Τοιχοποιία ~0.5-1.0/WmK 26
Χάλυβας: θερμικές ιδιότητες Ειδική θερμότητα (Ευρωκώδικας 3): Σκυρόδεμα ~1kJ/kgK Χάλυβας ~1kJ/kgK Ξύλο ~2kJ/kgK Τοιχοποιία ~0.5-1.0kJ/kgK 27
Χάλυβας: μηχανικές ιδιότητες Διάγραμμα σ-ε χαλύβων θερμής έλασης για διάφορες θερμοκρασίες (Harmathy, 1993) 28
Χάλυβας: μηχανικές ιδιότητες Διάγραμμα σ-ε χαλύβων προεντάσεως για διάφορες θερμοκρασίες (Harmathy, 1993) 29
Χάλυβας: μηχανικές ιδιότητες Συμβατικό όριο διαρροής σε υψηλές θερμοκρασίες (Buchanan, 2002) 30
Χάλυβας: μηχανικές ιδιότητες Μεταβολή μηχανικών ιδιοτήτων (Ευρωκώδικες 2 και 3) Μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων (Ευρωκώδικας 2) 1,00 Ανηγμένη τιμή 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Οριο Διαρροής Μέτρο ελαστικότητας Ορ. Αναλογίας 0 200 400 600 800 1000 1200 Θερμοκρασία (οc) 31
Χάλυβας: μηχανικές ιδιότητες Μεταβολή μηχανικών ιδιοτήτων (Νέα Ζηλανδία, Αυστραλία και Μ. Βρετανία) 32
Χάλυβας: μηχανικές ιδιότητες μετά την επαναφορά σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος Για θερμοκρασίες έκθεσης μέχρι 500 ο C: Οι χάλυβες ΘΕ-Θ και ΘΕ-Χ όχι ουσιαστικές μεταβολές Οι χάλυβες ΨΚ, ανάλογα με το βαθμό ψυχρής κατεργασίας, παρουσιάζουν μεγάλη μείωση της παραμόρφωσης θραύσης ε u. Για θερμοκρασίες από 500 ο C μέχρι 650 ο C Οι ΘΕ-Θ χάνουν το 50% της αντοχής στους 650 ο C Οι ΘΕ-Χ πρακτικώς δεν χάνουν την αντοχή τους Οι χάλυβες ΨΚ, ανάλογα με το βαθμό ψυχρής κατεργασίας, μπορεί και να χάσουν όλη την επιπλέον αντοχή που είχαν αποκτήσει με την ψυχρή κατεργασία (να μεταπέσουν σε S200) Για θερμοκρασίες έκθεσης άνω των 650 ο C: Μόνον οι ΘΕ-Χ πρακτικώς δεν χάνουν την αντοχή τους οι υπόλοιποι χάνουν ακόμη μεγαλύτερο ποσοστό της αντοχής τους. 33
Ξύλο Μεγάλες διασπορές τιμών Διαφορετικές ιδιότητες σε διαφορετικές διευθύνσεις Διαφορετική συμπεριφορά σε εφελκυσμό και θλίψη Επίδραση από το μέγεθος του στοιχείου και από την διάρκεια φόρτισης Επίδραση από την θερμοκρασία: Στους 100 ο C: Στους 200 ο C: Στους 300 ο C: έντονη επίδραση από τον ατμό πυρόλυση (θερμική αποσύνθεση) απανθράκωση 34
Ξύλο: θερμικές ιδιότητες Θερμική αγωγιμότητα (Ευρωκώδικας 5): Σκυρόδεμα ~1/WmK Χάλυβας ~45/WmK Ξύλο ~0.1/WmK Τοιχοποιία ~0.5-1.0/WmK 35
Ξύλο: θερμικές ιδιότητες Ειδική θερμότητα (Ευρωκώδικας 5): Σκυρόδεμα ~1kJ/kgK Χάλυβας ~1kJ/kgK Ξύλο ~2kJ/kgK Τοιχοποιία ~0.5-1.0kJ/kgK 36
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό συνήθεις θερμοκρασίες (Buchanan 2002) 37
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Η υγρασία, μαζί με την αύξηση της θερμοκρασίας δημιουργεί συνθήκες ανάλογες με εκείνες της κατεργασίας του ξύλου με ατμό. Με την περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, η υγρασία αποβάλλεται και το φαινόμενο σταματά. Επίδραση από το μέγεθος του στοιχείου. 38
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Το μέτρο ελαστικότητας παράλληλα προς τις ίνες (Wood handbook,1987) 39
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Το μέτρο ελαστικότητας παράλληλα προς τις ίνες (Ευρωκώδικας 5) 40
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Εφελκυσμός παράλληλα προς τις ίνες (östman, 1985) Στους 90 ο C με 29.5% υγρασία η αντοχή μειώνεται στο 60% της αντοχής του ξηρού ξύλου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 41
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Θλίψη παράλληλα προς τις ίνες (Lau & Barrett, 1977) 42
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Κάμψη παράλληλα προς τις ίνες (Gerhards, 1982) Συνδυασμός θλίψης και εφελκυσμού. Μετακίνηση του ουδέτερου άξονα 43
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Το μέτρο ελαστικότητας κάθετα προς τις ίνες (Gerhards, 1982) 44
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Εφελκυσμός κάθετα προς τις ίνες (Gerhards, 1982) 45
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Θλίψη κάθετα προς τις ίνες (Gerhards, 1982) 46
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Διάτμηση (Gerhards, 1982) Λόγω της ορθότροπης συμπεριφοράς, η διαγώνια θλίψη δεν είναι εύκολο να πραγματοποιηθεί, οριζόντια απόσχιση 47
Συμπερασματικά: (Ευρωκώδικας 5 και Jansens & White 1994) 48
Ξύλο: μηχανικές ιδιότητες Υπό υψηλές θερμοκρασίες Υπολογιστικά διαγράμματα σ-ε (Κönig Walleij, 2000) 49
Τοιχοποιία Δεν υπάρχουν πολλά στοιχεία (Τσιμεντο)κονιάματα: αναλογία προς το σκυρόδεμα 50
Τοιχοποιία: θερμικές ιδιότητες Θερμική αγωγιμότητα και ειδική θερμότητα (Ευρωκώδικας 6): Ασβεστόλιθοι Οπτόπλινθοι Ειδική θερμότητα Θερμική αγωγιμότητα 51
Τοιχοποιία: μηχανικές ιδιότητες Διαγράμματα σ-ε (Ευρωκώδικας 6): Ασβεστόλιθοι Οπτόπλινθοι 52
53
54
What ISO's name means? Because "International Organization for Standardization" would have different abbreviations in different languages ("IOS" in English, "OIN" in French for Organisation internationale de normalisation), it was decided at the outset to use a word derived from the Greek isos, meaning "equal". Therefore, whatever the country, whatever the language, the short form of the organization's name is always ISO. 55