STRUCTURILE DIN LEMN MASIV NEPROTEJATEIN

CONTEXTUL SECURITATII LA INCENDIU

UNIVERSITATEA TEHNICA “GH. ASACHI” DIN IASIFACULTATEA DE CONSTRUCTII SI INSTALATII

Catedra de Maecanica Constructiilor

Prof. univ. dr. ing. Dan DIACONU-ŞOTROPAmai 2011

SECURITATEA LA INCENDIU IN CONSTRUCTII

DEFINITIVE/PERMANENTE

(> 4 ani)

PROVIZORII< 4 ani AUXILIARE

Pot fi obiectul unui incendiu

INDUSTRIALE AGRICOLE CU CARACTER CIVIL

RISCUL LA INCENDIU SE APRECIAZA si PENTRU DIMINUARESE IAU MASURILE DE PROTECTIE ADECVATE

OPTIMIST

CU CARACTER C MILITARCIVILE

MASURILE DE PROTECTIE LA INCENDIU PENTRU DIMINUAREA RISCULUI SPECIFIC

ACTIVE (si OPERATIVE) PASIVE

Care intra in actiune in momentul detectarii

incendiului

Care sunt permanent in actiune

deci si in momentul incendiului

Prin luarea de masuri pasive bine ginditese pot reduce pierderile de vieti si bunuriin situatia unui incendiu de proportii

PROTECTIA PASIVA implica si STABILITATEA STRUCTURII in situatia de incendiulegata de performanta produselor pentru constructii privind REZISTENTA LA FOC,

apreciată prin criteriile sale (R, E, I):

Vizeazalimitarea trecerii fumului si/sau gazelor fierbinti prin fisuri, crapaturi si/sau deschideriun timp minim, normat,in situatia de incendiu(pusa in evidenta prin aprinderea vatei de bumbac sau aparitia de flacari sustinute minim 10 s)

Vizeazalimitarea cresterii temperaturii pe fata neexpusa incendiului:-140°C, cazul temperaturii medii,-180°C, cazul temperaturiiin orice punct,-220°C, cazul temperaturii maxime,un timp minim, normat,in situatia de incendiu

Vizeaza pastrarea capacitatea portantaa unui element sau ansamblu de elemente pentru constructii un timp minim, normat,in situatia de incendiu

ETANSAREla fum şi gaze

fierbinti (E)

IZOLAREtermică (I)

REZISTENTA (R)

NIVELURILE DE REZISTENTA LA FOC IMPUSE ELEMENTELOR STRUCTURALE

Un scopul al activitatii de proiectare pentru situatia de incendiu este:realizarea rezistentei la foc pentru elementele structurii de rezistnta principale,precizat in normele de proiectare privind apararea impotriva incendiilor

In Romania:rezistenta la foc a elementelor structurii de rezistnta principale este precizata in:

- Normativ P118Siguranta la foc a constructiilor

preluat de (in anexa nationala, AN)

- SR EN 1991-1-2

PROCEDURA PENTRU CALCULUL LA FOC AL STRUCTURILOR CONSTRUCTIILOR (SR EN 1990, SR EN 1991-1-2/sectunea 2)

Presupune parcurgerea procesului etapizat:

1. Selectarea scenariilor de incendiu de calcul, relevante pentru compartimentul de incendiu ales;

2. Atribuirea focurilor de calcul, corespondente scenariilor de incendiu de calcul, în vederea stabilirii temperaturii la exteriorul elementelor structurale incendiate;

3. Stabilirea distributiei temperaturilor la interiorul elementelor structurale incendiate;

4. Stabilirea solicitarii elementelor structurale incendiate;

5. Verificarea rezistenţei la foc a elementelor structurale incendiate.

PROCEDURI DE VERIFICARE A REZISTENŢEI LA FOC A ELEMENTELOR STRUCTURALE

(SR EN 1991-1-2/paragraful 2.5)

• Generale:

- in domeniul rezistenţelor:Efi,d(Ffi,d) ≤ Rfi,d,t (Xd,fi)

- in domeniul timpului: proiectarea asistata de incercari

• Particuare:- in domeniul timpului (rezistentei la foc):tfi,requ ≤ tfi,d

- in domeniul temperaturilor:θd ≤ θcr,d

PENTRU VERIFICAREA LA FOC CONVENTIONAL ISO 834ESTE SUFICIENTA O ANALIZA A ELEMENTELOR STRUCTURALE

• Compartment Fire Test• Stair Trials• Stair Fire Test on Timber Frame Building• Reinstatement• Combustible cavities

Fire Tests on Timber Framed Building

PROIECTAREA ASISTATA DE INCERCARI

STABILIREA SOLICITARII ELEMENTELOR STRUCTURALE INCENDIATE, Efi,d(Ffi,d) (SR EN 1990/paragraful 6.4, SR EN 1995-1-2-2/paragraful 2.4.2)

Actiunile la nivelul structurii, in situatia de incendiu, pot fi:- termice, consecinţa fenomenelor de radiaţie, convecţie, conducţie;- mecanice, consecinţa încărcărilor, deformaţiilor impuse, variaţiilor din temperatură etc..

Incendiul este actiune accidentala

Combinarea actiunilor la nivelul structurii , in situatia de incendiu, se poate face cum urmeaza:ΣγGA × Gk,j + ψ1,1 × Qk,1 + Σ ψ2,I × Qk,i + Σ Ad(t)

Incendiul genereaza combinatii exceptionale

Proceduri de evaluare a solicitarilor, in situatia de incendiu, pot fi:- avansate: teoria generala a calculului structural (EN 1990 art. 5.1.4);- simplificate: metoda factorului de reducere a nivelului încărcărcării de proiectare în situaţia de incendiu

Efi,d = ηfi × Ed

ηfi = (Gk + ψfi×Qk,1) / (γG×Gk + γQ,1×Qk,1)sau minimul dintreηfi = (Gk + ψfi×Qk,1) / (γG×Gk + γQ,1×ψQ,1×Qk,1)ηfi = (Gk + ψfi×Qk,1) / (ζ×γG×Gk + γQ,1×Qk,1)

ACTIUNI TERMICE LA NIVELUL COMPARTIMENTULUI DE INCENDIUEVOLUTIA TEMPERATURILOR UNUI INCENDIU REAL

ACTIUNI TERMICE LA NIVELUL COMPARTIMENTULUI DE INCENDIU(SR EN 1991-1-2/sectiunea 3)

MODELE DE INCENDIU

Conventionale:- curba standardizata/ISO-834 (3.2.1)- curba focului exterior (3.2.2)- curba hidrocarburilor (3.2.3)

Naturale-simplificate (3.3.1) Foc de compartiment-curba parametrica Foc localizat

Naturale-avansate (3.3.2)- model cu 1 zona- model cu 2 zone- model CFD

CRESTEREACOMPLEXITATII

MODELE CONVENTIONALE DE INCENDIU

CURBA TEMPERATURA-TIMP ISO 834(cazul reglementarilor prescriptive)

• Nu ia in considerare faza PRE-FLASHOVER• Nu implica faza REGESIE* Nu depinde de SARCINA TERMICA si CONDITIILE DE VENTILARE

0

200

400

600

800

1000

1200

0 30 60

[°C]

90 120 180

Curba ISO-834 (EN1364 -1)

Timp [min]

ISO ISOISO

ISO ISO

ISO

ISO

ISO

Curba ISO* Trebuie considerată in TOT compartimentul chiar dacă

acesta este foarte mare

1110

9451006 1049

842

T = 20 + 345 log (8 t + 1)

FOCUL DE COMPARTIMENT

(t) uniformă in compartiment

FOCUL LOCALIZAT

MODELE NATURALE DE INCENDIU

(x,y,z,t)

FOCUL DE COMPARTIMENT: CURBA PARAMETRIZATA

• Focul de compartiment din Eurocode 1 are la bază studiile lui Wickström (1981/1982). Bazat pe bilanţul de căldură dintr-un compartiment el a sugerat că focul depinde în totalitate de raportul dintre factorul de deschidere şi inerţia termică a pereţilor compartimentului. A folosit curbele suedeze (Magnusson & Thelandersson 1970) pentru a valida teoria.

• Pentru faza de încălzire rezulta o relatie de forma:T = 1325 × (1- 0,324e-0,2t* - 0,204e+1,7t* - 0,472e-1,9t*) + 20

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

time [min]

O = 0.04 m ½O = 0.06 m ½O = 0.10 m ½O = 0.14 m ½O = 0.20 m ½

Iso-Curve

FOCUL DE COMPARTIMEN: CURBA PARAMETRIZATA(EN 1991-1-2/anexa A )

Temperatura [°C]

Pentru b, qfd, At & Af

date

EN 1991-1-2 (Anexa C ):

• Foc cu flăcări care nu ajung la tavanul compartimentului (Lf < H) / Foc in aer liber•Rezultate: temperturi dupa axa flăcării (°C)

Lungimea flăcărilor Lf unui foc localizat este dată de:

L

z D

f

H

Q(z) = 20 + 0,25 (0,8 Qc)2/3 (z-z0)-5/3 900°C

Lf = -1,02 D + 0,0148 Q2/5

FOC LOCALIZAT: HESKESTAD

Axa Flăcărilor

Origine virtuală

Anexa C din EN 1991-1-2:• Foc cu flăcări care ajung la tavanulcompartimentului (Lf > H)• Rezultate: fluxul de căldură la o distanţă r de axa flăcării (kW/m2)

Y = Inălţimea zonei libere

g

x

= Temperatura aerului la nivelul Grinzii Calculata cu CaPaFi

MODEL NATURAL DE INCENDIU: FOC LOCALIZAT TIP HASEMI

Grindă

r

Axa flăcării 0,33*2,9h HL H Q H

*6 2,51,11 10HQQH

Lungimea orizontală a flamei

debitul de căldură degajat al focului [W]

debitul de căldură adimensional

hL

*HQQ

PARTICULARITATILE EVALUARII REZISTENTEI ELEMENTELOR STRUCTURALEAFLATE IN SITUATIE DE INCENDIU, Rfi,d,t (Xd,fi)

IN CAZUL STRUCTURILOR CONSTRUCTIILOR DIN LEMN(SR EN 1995-1-2)

STRUCTURI GRELE STRUCTURI USOARE(protejate la incendiu: gips carton)

Diferenta fiind facuta de dimensiunea cea mai micaa elementelor componente:

80mm

Lemn masiv (cherestea)

Lemn lamelar(elemente din lemn incleiate)

Structura din panouri prefabricate

Structura cu elemente lamelare

Structura din butuci

Rezistentele elementului, valori de proiectare (SR EN 1995-1-2):Rfi,d,t = η × (R20/γM,fi)η: factorul de conversie R20 = kfi × Rk

kfi = 1,1 … 1,25 (tabelul 2.1)

Sub stratul carbonizat lemnul ramine neafectat de incendiu

In urma unui test de expunere la foc 30 minutegrinda de otel (16x40)cm a cedat (la farsitul intervalului)in timp cegrinda din lemn lamelar (17,8x53,3)cm s-a carbonizat pe o grosime de 1,9cm la exterior sia pastrat continuare capacitatea portanta

TRANSFORMARILE LEMNULUI EXPUS FOCULUI

1. La aproximativ 100°C, creste plasticitatea lemnului2. La aproximativ 200°C apare piroliza cand celuloza

incepe sa se descompuna (efectul este folosit in centralele termice cu gazeificare)

3. Pina in 300°C densitatea lemnului scade cu pana la 20%4. Peste 300°C lemnul se transforma in carbune5. Peste 500°C in stratul de carbune apar crapaturi6. Peste 1000°C stratul de carbune incepe sa se consume

PESTE 50°C REZISTENTELE SI RIGIDITATEA LEMNULUI SUNT AFECTATE

COMPORTAREA LEMNULUI INTERESEAZA PINA LA 300°C

PROPRIETATILE LEMNULUI CU CRESTEREA TEMPERATURIIModulul de elasticitate, E (SR EN 1995-1-2/anexa B)

In cazul unui lemn de brad,modulul de elasticitate perpendicular pe directia fibrelor,la 20°C este 3000daN/cm2 iarla 60°C este 1800daN/cm2 ( se reduce la 60%)

Valori de proiectare pentru rigiditate (E, G):S d,fi= k mod,fi x (S20/γM,fi)k mod,fi: factorul de modificare pentru focS20 = kfi × S05

kfi: = 1,1 … 1,25 (tabelul 2.1)

PROPRIETATILE LEMNULUI CU CRESTEREA TEMPERATURIIRezistentele materialului, R (SR EN 1995-1-2/anexa B)

Valori de proiectare pentru rezistenta materialului:f d,fi= k mod,fi x (f20/γM,fi)k mod,fi: factorul de modificare pentru focf20 = kfi × fk

kfi = 1,1 … 1,25 (tabelul 2.1)

PROPRIETATILE LEMNULUI CU CRESTEREA TEMPERATURIIRezistentele materialului, R (SR EN 1995-1-2/anexa B)

Temperatura Coef. reducereR compresiune

Coef. reducereR intindere

Coef. reducereR forfecare

25 1 1 1

50 0,70 0,90 0,77

75 0,50 0,75 0,60

100 0,25 0,65 0,40

125 0,22 0,56 0,35

150 0,19 0,50 0,30

175 0,15 0,40 0,25

200 0,12 0,34 0,20

225 0,10 0,25 0,15

250 0,75 0,15 0,10

300 0,00 0,00 0,00

Masa lemnoasa cu densitatea mai mica de 600 kg/mc Directie radiala Fr = 1 + ρ0 x 5.5 x 10-8 x ( T – Tr )

Directie tangentiala Ft = 1 + ρ0 x 8.2 x 10-8 x ( T – Tr )

Masa lemnoasa cu densitatea mai mare sau egala cu 600 kg/mc Directie radiala Fr = 1 + ρ0 x 4.5 x 10-8 x ( T – Tr )

Directie tangentiala Ft = 1 + ρ0 x 5.8 x 10-8 x ( T – Tr )

Lemnul tinde sa-si maresca volumul direct proportional cu cresterea temperaturii, densitatea si dupa directia fibrei

FACTOR DE EXPANSIUNE

PROPRIETATILE LEMNULUI CU CRESTEREA TEMPERATURIIConductivitatea termica, caldura specifica, densitatea (SR EN 1995-1-2/anexa B)

Densitatea

Valori de proiectare pentru vitezele de ardere a suprafetelor neprotejate la foc

CARBONIZAREA(SR EN 1995-1-2/paragraful 3.4)

Adincimea stratului carbonizat, dchar, creste cu viteza de ardere, β, si poate fi:- unidimensionala, dchar,0 = f(β0, viteza de arderea unidimensionala in cazul unui foc standard, constanta)- teoretica, dchar,n = f(βn, viteza de arderea teoretica, constanta)

Viteza de carbonizare depinde de: esenta lemnului, umiditatea lemnului, ventilare

IN CAZUL FOCULUI CONVENTIONAL - ISO 834

IN CAZUL FOCULUI NATRAL - PARAMETRIC

METODASECTIUNII REDUSE

METODAPROPIETATILOR REDUSE

- se deduce o sectiune efectivă,prin reducerea secţiunii transversale iniţiale cu adincimea efectivă de carbonizareplus un strat in vecinatatea limitei de carbonizare:def = dchar,n+ k0 x d0

dchar,n= βn x tk0 - tabelul 4.1d0 = 7 mm,

- se impune kmod,fi = 1 pentru rezistenta, f, si rigiditatea , S, a materialului .

- se deduce o sectiune remanenta, prin reducerea secţiunii transversale iniţiale cu adincimea de carbonizare:dchar = β x t,

- se kmod,fi = f(p, Ar) = 0,2 … 1 (figura 4.3) pentru rezistenta, f, si rigiditatea , S, a materialului .

dchar = βpar x t* (anexa A)

unde βpar = f(βn) depinde de:- βn, valoarea de proiectare a vitezei teoretice de carbonizare ;- O, factorul de deschidere (ventilatie);- Г, coeficientul proprietatilor termice ale delimitarilor compartimentului;

unde t* poate depinde de:- qtd, valoarea de calcul a densitatii sarcinii termice de incendiu.

METODE DE SIMPLIFICATE CALCUL A REZISTENTEI ELEMENTELOR STRUCTURALE(SR EN 1995-1-2/sectiunea 4)

CONECTORII

Abilitatea unei structuri de a rezista in situatia de incendiu depinde (in aceiasi masura) de performantele elementelor structurale si conexiunilor acestora (cu: suruburi metalice rapide, cuie si suruburi, tije filetate, placi metalice, cleiuri).

CONEXIUNEA cu SURUBURILOR RAPIDE, CUIELOR sau SURUBURILOR depinde de temperatua la care aceasta este expusa; cu cresterea temperaturii:- scade capacitatea acestora de a rezista la solicitari;- la temperaturi mari lemnul din imediata lor vecinatate carbonizeaza ducand la pierderea contactului;- intre conector si lemn (metalul transfera energia termica la interiorul elementului din lemn).

CUIELE reprezinta una din cele mai bune metode de imbinare:- penetreza lemnul mult mai bine decit adezivii;- reusesc sa se strecoare printre fibrele lemnoase datorita diametrului mic; - distribuie eforturi pe o suprafata mai mare decit suruburile.

CONECTORII in numar mare, raportat la suprafata elementului, duc la o crestere rapida a temperaturii in zona imbinarii.

DDimensionarea imbinarilor in imensionarea imbinarilor in situatiasituatia de de incendiuincendiu

ConectoriiMetoda supradimensiunii elementului

Imbinari neprotejate Imbinari protejateSupradimensionare element din lemn cu afi Timpul de intirziere

pentru scaderea capacitatii portante a imbinariiafi = ßn x kflux x ( treq – td,fi ) tch >treq – n x td,fi

n = 0,5 pentru protectie din lemn, placi gips-carton tip A sau Hn = 1,2 pentru protectie din placi gips-carton tip F

afi - supradimensiunea elemntului de lemntreq - timpul necesar de rezistenta la foctd,fi - timpul de rezistenta a imbinarii in cazul neprotejariißn - viteza de carbonizarekflux - coeficient ce tine cont de fluxul de caldura prin conector

tch - timpul de initiere al carbonizariitreq - timpul necesar de rezistenta la foctd,fi - timpul de rezistenta la foc al imbinarii in cazul neprotejarii

*) Supradimensiunea elementului este cu atit mai mare cu cit timpul necesar a rezista sub incendiu este mai mare**) o dimensiune prea mare a elemntului de lemn nu este economica

Dupa expirarea timpului de initiere a carbonizarii imbinarea se comporta ca si o imbinare neprotejata la care nu s-a luat masura supradimensionarii elemntelor cu afi

DDimensionarea imbinarilor in imensionarea imbinarilor in situatiasituatia de de incendiuincendiu

ConectoriiMetoda reducerii incarcarilor

Imbinari neprotejate Imbinari protejateRezistenta elementului metalic de imbinare Timpul de intirziere

pentru scaderea capacitatii portante a imbinariiFv,Rk,fi = e-k x t

d,fi x Fv,Rk tch > treq - n x td,fi

n = 0,5 pentru protectie din lemn, placi gips tip A sau Hn = 1,2 pentru protectie cu placi gips-carton tip F

k - parametru care tine cont de tipul imbinarii si diametrul conectoruluitd,fi - timpul de rezistenta la foc al imbinarii in cazul neprotejariiFv,Rk - capacitatea portanta a conectorului la temperatura normala

treq - timpul necesar de rezistenta la foctd,fi - timpul de rezistenta la foc al imbinarii in cazul neprotejarii

Capacitatea portanta a conectorului luata in calcul este cu atit mai mica cu cit conectorul trebuie sa reziste un timp mai lung sub incendiu

Scuritatea la incendiu în clădirile din lemnGhid tehnic

DOCUMENTE NORMATIVE EUROPENE PENTRU PROIECTAREA LA FOC A CONSTRUCTIILOR DIN LEMN

Multumesc pentru atentie

Scurt sumar al capitilelor ghidului

Capitolul 1, Clădiri din lemn, furnizează o scurtă introducere stabilta utilizare a construcţiilor din lemn şi renaşterea structurilor din lemn în ultimii ani ca rezultat al conducerii către o mai susţinută soluţionare a construcţiilor.Capitolul 2, Securitatea la incendiu în clădiri, dă o vedere generalăasupra conceptelor de bază ale securităţii la incendiu în clădiri. Se prezintă informaţii privind comportarea la foc, acţiunile datorate incendiului, scenariile la foc şi obiectivele securităţii la incendiu. Măsurile are realizează obiectivele securităţii la incendiu sunt descries fentru utilizare în toate clădirile şi ca o bazăpentru solutionarea proiectării în adrul acestui ghid.Capitolul 3, Cerinţe Europene, prezintă o vedere general asupra noilor cerinţe europene pentru securitatea la incendiu în clădiri bazate pe Directiva cu privire la Produsele pentru Construcţii (CPD) şi cerinţele esenţiale ale lor. Aceste cerinţe sunt obligatorii pentru toate ţările Uniunii Europene. Ele include sisteme de clasificare pentru reacţia la foc a produselor pentru construcţii, rezistenţa la foc a elementelor structural, performanţa la foc exterior a acoperişurilor, abilitatea de protecţie la foc a cladding Eurocodurilor privind structurile. Descrile modului cum aceste cerinţe sunt aplicate la produsele şi structurile din lemn sunt făcute în capitolele ce urmează.