Cladire cu structura usoara rezistenta la foc. Model experimental

Cercetarea, in acest caz, a avut ca punct de plecare o cerinta practica si anume realizarea unui prototip de structura usoara rezistenta la foc. Studiul s-a axat pe analiza numerica a unui incendiu dezvoltat intr-o cladire construita pe baza unei structuri usoare. In acest scop, s-au efectuat testari ale modelului de structura adoptat, atat pe cale numerica cu ajutorul platformei avansate Fire Dynamics Simulator (FDS) – de catre Facultatea de Pompieri, cat si experimental, de catre ICECON SA Bucuresti, prin construirea efectiva (la scara redusa) a unei machete si pregatirea acesteia pentru incercarea la foc.

Rezultatele experimentale obtinute s-au concretizat prin masuratori de temperaturi in diverse puncte pe structura incendiata. Aceste masuratori au fost executate la ICECON S.A., pe baza contractului de cer­cetare AMTRANS [1], in parteneriat cu un colectiv de la Facultatea de Pompieri.

SIMULAREA NUMERICA

Caracterul original al simularii numerice si al verificarii experimentale consta in modul de testare, care tine cont de specificul acestor tipuri de structuri, adaptandu-se curba temperatura-timp unui incendiu natu­ral la cazul de fata.

Pentru modelarea numerica a incendiului s-a adoptat tipul de „zonare in camp“ sau, mai precis, discretizarea tridimensionala a ecua­tiilor tranzitorii caracteristice. Modelarea 3D a incendiului poate fi exprimata, in principal, prin marimile de intrare si de iesire utilizate:

Marimi de intrare: forma structurii detaliate, constructia incaperilor, inclusiv peretii, tavanul si podeaua, numarul de goluri de ventilare si marimea lor (daca este cazul) etc.; caracteristicile mobilierului (daca este cazul), caracteristicile combus­tibilului, parametrii turbulentei si ai radiatiei.

Marimi de iesire: fluxul termic degajat, miscarea si viteza fumului; temperaturi masurate in diverse puncte ale structurii; previziuni asupra timpului de activare a sprinklerelor si a detectoarelor de caldura (daca este cazul), timpul pana la flashover (faza de combustie).

In figura 1 sunt reprezentate cateva vizualizari numerice instantanee ale evolutiei incendiului, in structura usoara considerata.

Atat valorile temperaturilor obtinute, a fluxului termic, a ratei de ardere, cat si vizualizarea numerica a incendiului au fost comparate ulterior cu cele experimentale, obtinan­du-se concordante foarte bune.

Metoda de experimentare si modalitatea de interpretare a datelor obtinute au condus la propunerea executiei si realizarii prototipului de structura usoara rezistenta la foc.

In vederea executiei si experimentarii prototipului la scara reala, ca urmare a experimentarii efectuate pe model structural la scara redusa, s-au pus la punct tehnologia de executie, metoda de experimentare si modalitatea de interpretare a datelor.

MODELUL DE STRUCTURA LA SCARA REALA

Experimentarea la foc s-a reali­zat pe o geometrie de structura usoara, identica cu cea obtinuta pe cale numerica, respectiv:

• structura din profile metalice usoare, indoite la rece, galvanizate, in grosime de 2 mm;

• panouri OSB de 25 mm gro­sime, fixate la exteriorul structurii;

• placi din gipscarton rezistente la foc de 12,5 mm grosime, fixate la interior in doua straturi;

• planseu executat in acelasi sistem ca al peretilor;

• invelitoare din tigle metalice.

In vederea crearii fenomenelor de conductie, transfer termic si convectie, modelul de structura la scara reala a fost prevazut cu o usa si o fereastra, dispuse pe doua fete opuse (fig. 2).

Materialul combustibil constituit sub forma de lemne de brad (fig. 3) a fost pregatit prin taiere in forma paralelipipedica, cu sectiunea de 20 mm, cantarit si asezat in stiva in interiorul modelului experimental la scara redusa, cu spatii intre lem­ni­soare de 20 mm, iar randurile succesive asezate perpendicular. Cantitatea de combustibil a rezultat din calcul: 600 Kg – echivalent sarcina termica = 780 MJ/m2.

Au fost pregatite si numerotate 27 termocupluri de tip K: Ni-CrNi, in gama de temperaturi de la -40 0C la +1.200 0C.

Achizitia temperaturilor s-a reali­zat in timp real cu 5 module de achizitie analogice cu 8 intrari, cu compensarea jonctiunii reci si conversie digitala (fig. 4). Citirea si interpretarea s-a realizat in timp real cu ajutorul unui software conceput special pentru acest experiment, afisarea si inregistrarea datelor realizandu-se pe un calculator portabil. Amplasa­rea termocuplurilor s-a realizat in situ pe parcursul executiei constructiei.

Masuratorile de deplasari punctuale s-au realizat prin intermediul microcomparatoarelor cu fir, ampla­sate pe repere fixe, pe trei directii, pentru trei colturi ale constructiei notate cu A, B si C.

INREGISTRAREA DATELOR

Inregistrarea datelor indicate de termocupluri s-a facut in timp real prin intermediul software-ului specializat, la minut, prin afisare directa pe curbe temperatura-timp, prestabilite, afisate pe ecranul calculatorului si la secunda cu inregistrarea valorilor in calculator. La finalizarea experimentului au fost salvate ima­gini cu diferite combinatii ale gra­ficelor in timp real.

REZULTATE OBTINUTE

Rezultatele obtinute au fost pre­zentate in format tabelar si grafic (fig. 5 – 6):

• Temperaturi citite la minut;

• Curbe temperatura-timp;

• Inregistrarea deplasarilor structurale;

• Codificare si amplasare termocupluri.

CONCLUZII

In urma experimentarii prototipului la scara reala, se valideaza metoda de simulare pe calculator, prin similitudinea rezultatelor obtinute in cele doua cazuri.

In aceasta directie, studiul teoretic de caz impreuna cu experimentarea la foc a structurii la scara reala, efectuate in prezenta lucrare, au incercat sa formuleze si sa fundamenteze o serie de principii si metode de calcul, care sa poata dezvolta bagajul informational existent, sa permita jalonarea unui inceput de evaluare prin calcul in domeniul elastic al comportarii constructiilor metalice usoare la actiunea focului si asezarea proiectarii antifoc pe principii mai rationale, mai economice, care sa conduca la sporirea gradului de siguranta in exploatare a constructiilor.

Studiul si metodele utilizate in cadrul prezentei lucrari nu rezolva problema calculului in domeniul elastic al structurilor metalice usoare supuse actiunii focului, ci reprezinta un inceput in domeniu, care presupune in continuare o munca sustinuta de colaborare si coordonare a actiunilor tuturor factorilor si cercetatorilor ce lucreaza in acest domeniu.

Studiul de caz efectuat a aratat ca exista posibilitatea verificarii elementelor de mari dimensiuni sau a sistemelor structurale ce nu pot fi testate experimental.

Totusi, aportul experimental este necesar, atunci cand este posibil, atat pentru verificarea rezultatelor teoretice cat si pentru evaluarea incertitudinilor ce pot sa apara in comportarea spatiala structurala la actiunea socului termic, incertitudini care nu pot sa fie cuprinse in mode­lele de calcul.

Nivelul de dezvoltare al cercetarii teoretice pe plan national impune si in acest domeniu introducerea conceptelor si metodologiilor moderne de investigare si calcul. Cercetarile teoretice urmaresc sa asigure o baza stiintifica de analiza a proceselor complexe care au loc in structurile de constructii in timpul incendiilor, sa promoveze metode de calcul si programe de calcul eficiente, in vederea satisfacerii optime a cerintelor mereu crescande de securitate la incendiu.

BIBLIOGRAFIE

[1] Contract AMTRANS Nr. 7B07/2004, „Sisteme eficiente de realizare a unor structuri usoare rezistente la foc pentru constructii civile“.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 65 – noiembrie 2010, pag. 32

Autor:
dr. ing. Aurora CIOC – ICECON SA Bucuresti