Calculul structural in optimizarea protectiei la foc pentru elementele metalice (II)

(continuare din nr. 223 ‒ aprilie 2025)

Pentru selectarea protectiilor este necesar factorul de sectiune. Valorile acestuia se pot obtine in functie de numarul de fete expuse si tipul protectiei (fie prin aplicare pe conturul profilului, fie cu carcasa) chiar si din fisele tehnice: rezultatele detaliate afisate de modulul FRC furnizeaza, de asemenea, aceasta informatie si valorile sunt bine corelate.

Tabelul 3: Factor de sectiune elemente protejate pe contur/protejate in carcasa pentru sectiunile din studiul de caz

Se observa ca factorii de sectiune pentru protectii sub forma de carcasa sunt in afara intervalului pentru care sunt date recomandarile din ghidul GP055. Modulul FRC permite calculul facil al grosimii placilor de ipsos necesare pentru indeplinirea unui criteriu R impus. In tabelul 4 se dau rezultatele obtinute pentru cea mai vulnerabila grinda MRF si cel mai vulnerabil stalp. Este de remarcat ca, in unele situatii, chiar o mica diferenta de temperatura critica poate impune o grosime mai mare a placii de protectie, asa cum este cazul grinzii analizate pentru cele doua combinatii. Din acest studiu se mai poate observa ca, pentru a obtine nivelul de stabilitate II, in timp ce pentru grinda este necesara o placa cu grosimea de 18 mm, pentru stalp se impune o grosime de 23 mm.

Tabelul 4: Protectie cu placi de ipsos determinate cu FRC

Pentru a determina grosimea protectiei folosind tabele furnizate de producatori s-au selectat urmatoarele variante de placi, prezentate in tabelul 5:

Tabelul 5: Tipuri de placi de protectie impotriva incendiilor

Pentru produsul cu cea mai mica conductivitate termica, Promatect H, s-au facut si corelatii cu rezultatele obtinute din calcul cu FRC. In tabelul 6 se prezinta centralizat analiza realizata pentru stalpii cu cea mai mare si cea mica temperatura critica: s-a identificat grosimea stratului de protectie recomandat prin fisa tehnica pentru expunere pe 4 laturi, in functie de factorul de sectiune si de temperatura critica (determinata cu ajutorul FRC) pentru R60 si pentru R120. S-a analizat cu ajutorul FRC temperatura la care ajunge sectiunea astfel protejata dupa o expunere de 60, respectiv 120 minute la focul standard. Pentru elementele caracterizate de temperaturi critice mari s-au propus protectii folosind grosimea minima disponibila si s-a determinat temperatura la care ar ajunge sectiunea astfel protejata dupa o expunere de 120 minute la focul standard.

Tabelul 6: Protectie in carcasa din placi Promatect H

In tabelul 7 se prezinta centralizat analiza realizata pentru grinzile MRF cu cea mai mare si cea mica temperatura critica: s-a identificat grosimea stratului de protectie recomandat de fisa tehnica pentru expunere pe 3 laturi, in functie de factorul de sectiune si de temperatura critica (determinata cu ajutorul FRC) pentru R45 si pentru R60. S-au determinat protectiile necesare pentru mai multe tipuri de protectii: o comparatie, validare cu FRC nu a fost posibila pentru toate variantele de protectie selectate, deoarece in pachetul de date tehnice pentru protectiile selectate de tip vopsea intumescenta si vermiculit nu este precizata conductivitatea materialului.

Tabelul 7: Diferite categorii de protectie propuse pentru grinzile MRF

Temperaturile marcate cu rosu indica o lipsa de corespondenta intre rezultatul FRC si rezultatul ce se obtine din fisa produsului. Din cauza valorii conductivitatii termice din fisa produsului, analiza FRC arata ca temperatura sectiunii, dupa expunerea la focul standard timp de 45, respectiv 60 de minute depaseste temperatura critica. Rezultatele furnizate de FRC pentru sectiunea IPE300 protejata cu carcasa din Promatect XS cu grosime de 12,5 mm sunt date in fig. 5.

Functionalitatea FRC poate furniza ca rezultat si curba evolutiei temperaturii in sectiune; acest lucru ne permite sa concluzionam ca chiar si pentru acele elemente cu un grad scazut de utilizare, care au o temperatura critica ridicata, protectia este necesara pentru a indeplini criteriul R45 sau R60.

Fig. 5: (a) evolutia temperaturii pentru IPE360 (FRC) neprotejat; (b) proprietati termice conform fisei de produs [11]; (c) rezultatele furnizate de FRC pentru 60 de minute de expunere la foc standard, pentru sectiunea IPE300 protejata cu o placare de 12,5 mm grosime

Pentru grinzi articulate, cu sectiune IPE300, intervalul de variatie pentru temperatura critica este cel mai larg, astfel incat pot fi identificate chiar si grinzi cu o temperatura critica de 304°C; pentru aceste elemente, se observa o diferenta de aproximativ 100°C intre temperaturile critice determinate pentru combinatia Acc1 si, respectiv, Acc2, dupa cum se arata in fig. 6.

Fig. 6: Temperatura critica pentru barele articulate IPE300 – Cluj-Napoca – Acc1 (stanga); Cluj-Napoca – Acc2 (dreapta)

 Valoarea temperaturii critice depinde de ipotezele folosite in calculul structural, cum ar fi cele legate de modelarea structurii si de modul de aplicare a incarcarilor. Rezultatele prezentate mai sus au fost obtinute din modele care au neglijat conlucrarea dintre grinzi si placa de beton, iar incarcarile au fost aplicate direct elementelor liniare. Daca se considera interactiunea dintre grinzile metalice si placa de beton prin intermediul unor conectori, asa cum este explicat in [10], temperatura critica pentru grinzile secundare creste cu mai mult de 300°C, asa cum se vede in fig. 7.

Fig. 7: Temperatura critica in doua ipoteze: cu si fara interactiune intre bare articulate si placa de beton – Bucuresti, Acc1, fara interactiune cu placa de beton (stanga); Bucuresti, Acc1, cu interactiune cu placa de beton (dreapta)

CONCLUZII

Rezultatele prezentate evindentiaza ca este posibila utilizarea responsabila a resurselor si din prisma necesarului de material pentru asigurarea protectiei la foc, in conditii de siguranta si indeplinind cerintele impuse de rezistenta la foc. Acest lucru devine posibil daca determinarea temperaturii critice se face folosind rezultatele calculului structural si nu abordarea simplificata sau cea bazata pe experienta anterioara.

Conform codului SR EN 1993-1-2, considerarea temperaturii critice in mod acoperitor ca fiind cea corespunzatoare unui grad de utilizare µ₀ 0,7 ar trebui limitata la doar cateva tipuri de elemente. Chiar daca evaluarea temperaturii critice necesita un calcul iterativ, aceasta se poate face destul de usor folosind optiunea de calcul structural pusa la dispozitie de SCIA Engineer.

Este important sa folosim aceasta functionalitate, avand in vedere cel putin doua cerinte: obligatia inginerului structurist de a furniza temperatura critica si stabilirea protectiei potrivite in functie de temperatura critica.

Modulul permite si determinarea optima a protectiilor necesare, ceea ce este realmente folositor in conditiile in care in unele fise tehnice domeniul temperaturii critice este limitat superior la 650°C.

Rezultatele prezentate comparativ, pentru doua structuri similare, dar proiectate pentru un nivel diferit al hazardului seismic, arata ca pentru structurile mai puternice, proiectate pentru a prelua incarcari orizontale mai mari, gradul de utilizare in situatia de incendiu este mai mic, ceea ce conduce la temperaturi critice mai mari si implicit un consum mai mic de materiale pentru protectie la foc.

Rezultatele argumenteaza ideea ca temperatura critica depinde de solicitarile elementului din situatia de proiectare accidentala si de aceea evaluarea acesteia trebuie sa se faca pe baza calculului structural, mai degraba decat print-o abordare generala bazata pe experienta. In plus, se evidentiaza ca valorile temperaturilor critice si in consecinta protectiile la foc necesare pot fi sensibile la simplificarile folosite in modelarea structurilor.

BIBLIOGRAFIE

[10] Dinu FLOREA, Dan DUBINA, Ioan MARGINEAN, Robustness limit state for the design of steel frame structures. A XIII-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice, pp 33-40;

[11] Promat Handbook Fire Protection of Load-bearing Steel Structures ‒ https://media.promat.com/pi704519/original/1054020007/structural-steel-protection-handbook-promat-see-en-2024-01.

Autor:

s. l. dr. ing. Mirela POPA ‒ Universitatea „Ovidius” Constanta, Facultatea de Constructii

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice ‒ „Construieste cu STEEL” ‒ 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 224 – mai 2025, pag. 62-64