Chování PVC při požáru a jeho modelování pro FDS model

Předpisy požární bezpečnosti jsou při stavebních projektech zásadní pro zajištění ochrany životů, majetku a životního prostředí. Tyto předpisy stanoví směrnice pro materiály používané v budovách, zejména ty, které by mohly přispívat k nebezpečí požáru. Potrubní tvarovky z PVC (polyvinylchloridu) jsou široce používány v různých aplikacích, včetně instalatérských a elektrických vedení, ale je třeba důkladně porozumět jejich charakteristikám požární odolnosti. Dodržování předpisů požární bezpečnosti nejen snižuje rizika při požáru, ale také zvyšuje celkovou bezpečnost budovy.

Chování PVC při požáru

Trubkové tvarovky z PVC mají určité vlastnosti, které ovlivňují jejich chování v případě požáru. Zatímco PVC je ze své podstaty hořlavý materiál, pokroky ve složení vedly k vývoji variant zpomalujících hoření. Tyto speciálně upravené tvarovky z PVC mohou zpomalit šíření plamenů a snížit tvorbu kouře, což je rozhodující pro minimalizaci nebezpečí během požáru. Předpisy požární bezpečnosti často specifikují požadované hodnoty šíření plamene a indexy vývoje kouře pro materiály používané v budovách. Pro stavitele je životně důležité, aby si vybrali PVC armatury, které splňují tyto normy, aby byla zajištěna shoda a byla zvýšena bezpečnost konstrukce.

Kyslíkový index a hořlavost plastů

Kyslíkový index udává podíl kyslíku v okolním vzduchu, který je nutný k tomu, aby materiál začal hořet a vzplanul. Je to důležitý parametr pro hodnocení chování materiálů, zejména plastů, při požáru. K tomu, aby došlo k hoření, je zapotřebí dostatečné množství kyslíku. Kyslíkový index se používá k určení minimálního obsahu kyslíku v okolním vzduchu, který je nutný k tomu, aby se materiál vznítil a vzplanul. Čím vyšší je kyslíkový index, tím obtížnější je pro materiál vznícení a tím je odolnější vůči ohni. Tento parametr se používá především při zkouškách požární odolnosti. Kyslíkový index lze stanovit pomocí standardizovaných zkušebních postupů.

Analyzátor kyslíkového indexu LOI 901 od společnosti NETZSCH TAURUS Instruments GmbH je přístroj pro stanovení kyslíkového indexu polymerů. Splňuje požadavky mezinárodně uznávaných norem ISO 4589-2 a ASTM D2863. Norma ISO popisuje metodu stanovení minimálního objemového podílu kyslíku v dané směsi kyslíku a dusíku při 23 °C ± 2 °C, který podporuje hoření materiálu za určitých zkušebních podmínek.

Přístroj LOI 901 je vybaven speciální spalovací komorou a ke zkoumání vzorků materiálu používá řízenou kyslíkovou atmosféru. To umožňuje stanovit následující veličiny:

Čtěte také: PVC a oheň

  • Mezní kyslíkový index: minimální koncentrace kyslíku, při níž je možné spalování zkušebního vzorku
  • Hořlavost plastů
  • Doba hoření
  • Vzdálenost hoření

LOI 901 navíc poskytuje transparentní údaje o teplotě, průtoku a čase během testovacího postupu, které se zobrazují na displeji a lze je kdykoli přečíst. Zvláštní výhodou LOI 901 je jeho jednoduché a intuitivní ovládání prostřednictvím dotykového displeje. Požadovaná koncentrace kyslíku se vybere a automaticky nastaví pouhým dotykem prstu. Požadovaný objemový průtok zůstává konstantní. Vestavěné elektromagnetické ventily a inteligentní software zajišťují dosažení stabilních podmínek pro předepsaný postup měření během několika sekund.

Pro okamžité použití analyzátoru kyslíkového indexu je veškeré potřebné příslušenství již součástí dodávky. LOI 901 obsahuje následující vybavení:

  • Držák vzorku pro tyčové, kulaté a ploché vzorky
  • Zapalovač propan-butanu
  • Snadno vyměnitelný válec z borosilikátového skla
  • Jednodeskový počítač (SBC) s operačním systémem Windows 10
  • Jednu softwarovou licenci LOI 2016

Pro zahájení práce s analyzátorem je tedy třeba dodat pouze zkušební plyny (O2/N2). V automobilovém průmyslu se k testování hořlavosti a bezpečnosti plastů instalovaných v automobilech hojně používá LOI 901. Aplikace sahají od vnitřního obložení - jako jsou sedadla a palubní desky - až po elektrické a elektronické komponenty.

Pyrolýza a vznícení

Pyrolýza je definována jako tepelný rozklad za nepřítomnosti kyslíku. Pokud jsou pevné látky vystaveny vnějšímu teplu, začnou se rozkládat při určité teplotě pyrolýzního rozkladu Tp [°C] nebo [K]. Určité typy plastů (například PMMA) hoří více či méně jako kapaliny. Fázová přeměna (pevná látka na kapalinu) se vyskytuje na povrchu a zde se nevyskytují pevné zbytky. Další materiály, jako např. dřevo, se nevypařují zcela, ale vytvářejí uhlíkaté zbytky. Zuhelnatělá vrstva se zvětšuje s časem a tepelný rozklad se vyskytuje ve větší hloubce pod povrchem.

Modelování pyrolýzy pomocí rovnic Arrheniova typu není jednoduché, dokonce i v případě, pokud palivo obsahuje přibližně jednu složku. Je totiž obtížné nalézt kinetické parametry A, n a E. Při zahřívání rychlostmi, které jsou typické pro podmínky požáru, mnoho stavebních hmot se začne tepelně rozkládat již při určité nižší teplotě, při které je tepelný rozklad nepatrný. Tato teplota je řízena aktivační energií. Tepelný rozklad probíhá v relativně úzkém teplotním intervalu. Teplotu pyrolýzního rozkladu Tp některých materiálů je možné nalézt v literatuře, nebo se zjišťuje termogravimetrickou analýzou.

Čtěte také: Analýza ocelových a betonových svodidel

Vznícení pevných paliv je definováno jako počátek plamenného hoření v plynné fázi. Když je pevný materiál vystaven vnějšímu teplu, začne se v určitém okamžiku tepelně rozkládat/pyrolyzovat. Páry paliva se míchají se vzduchem v mezní vrstvě. Krátce poté pyrolyzní rychlost již může být dostatečná pro dosažení dolní meze výbušnosti a tato směs se může za určitých podmínek vznítit. Rozlišují se dva typy vznícení: s pomocným zápalným zdrojem a bez tohoto pomocného zdroje. Při zapálení pomocným zdrojem se iniciuje plamenné hoření směsi plynů pomocí malého zápalného zdroje. Ke vznícení bez pomocného zdroje musí povrch pevné látky dosáhnout dostatečně vysoké teploty, při které probíhají reakce hoření. Často se jako kritérium pro vznícení používá kritická teplota povrchu při vznícení, která je vyšší bez pomocného zdroje zapálení než s tímto zdrojem.

Teplotu vznícení [°C] lze stanovit několika způsoby. V ČR jsou běžně stanovovány teploty vzplanutí a teploty vznícení pevných hořlavých materiálů zkušební metodou podle Setchkina a teploty vznícení hořlavých plynů a par zkušební metodou, která simuluje nebezpečí vznícení od horkých povrchů.

Tepelné a mechanické zatížení konstrukcí

Stanovení rozvoje požáru v požárním úseku s následným zjištěním teploty v jednotlivých částech konstrukce vyžaduje znalost mnoha parametrů. Nejdůležitějším krokem je stanovení návrhového požárního scénáře, který nejlépe odpovídá mimořádné požární situaci. Na základě návrhového požáru lze popsat průběh teplot v požárním úseku a určit přestup tepla do konstrukce.

Tepelná a mechanická zatížení konstrukcí při požární situaci lze určit podle ČSN EN 1991-1-2. Tato norma přejímá evropskou normu EN 1991-1-2:2002 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-2: Obecná zatížení - Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. ČSN EN 1991-1-2 se musí pro stavby umístěné na území České republiky používat s národní přílohou NA, která obsahuje údaje platné pro území ČR. Pro navrhování konstrukcí na účinky požáru se použije společně s částmi EN 1992 až EN 1996 a EN 1999.

Tepelné zatížení, jemuž je konstrukce při požáru vystavena, je dáno čistým tepelným tokem ḣ net [W/m2] dopadajícím na povrch prvku. Čistý tepelný tok je způsoben prouděním a sáláním horkých plynů, plamenů nebo horkých povrchů konstrukcí. Důležitou úlohu při přestupu tepla představují součinitel emisivity povrchů a součinitel přestupu tepla prouděním. Základem rovnice pro čistý přenos tepla sáláním je Stephan-Boltzmannův zákon o sálání. Podle tohoto zákona určuje „teplota sálání z plamenů“ maximální sálání do ocelového prvku. Konzervativně může být tato teplota brána jako teplota plynu. Ta může být určena na základě modelu požáru. Čistý přenos tepla prouděním může být přibližně uvažován jako rozdíl teplot (θg − θm) a je charakterizován součinitelem přestupu tepla prouděním αc. ČSN EN 1991-1-2 uvádí různé přístupy pro stanovení tepelného zatížení - normativní přístup, který používá pro stanovení tepelného zatížení nominální požár a přístup vycházející z vlastností využívající fyzikální a chemické parametry.

Čtěte také: Izolace jako obranný mechanismus

Nominální normová teplotní křivka, definovaná v EN 1991-1-2, je základním z možných přístupů při výpočtu požární spolehlivosti konstrukcí. Z obrázků jsou zřejmé nepřesnosti při ověřování chování konstrukcí vystavených skutečnému požáru při uvažování nominální normové křivky.

Nepřímá zatížení konstrukce v důsledku roztažení a přetvoření, způsobená teplotními změnami od požáru, vyvolávají síly a momenty. Nepřímá zatížení lze uvažovat obvykle pouze pokročilou globální analýzou za zvýšené teploty. Nepřímá zatížení od požáru není nutno při výpočtu konstrukce uvažovat.

Modelování požáru pro FDS

Článek shrnuje materiálové a požární vlastnosti pevných hořlavých látek/materiálů/výrobků, které se využívají jako vstupy numerických modelů požáru. Modelování požárů je progresivně se rozvíjející disciplína požárně bezpečnostního inženýrství, neboť nachází stále větší praktické uplatnění při projektování staveb a jejich konstrukcí, hodnocení nebezpečí požáru, vyšetřování příčin požárů, šíření nebezpečných plynů a par prouděním atd.

V požárně inženýrské praxi je posuzování požární odolnosti prvků většinou založeno na zjednodušených modelech požáru, které jsou reprezentovány více či méně sofistikovanými teplotními křivkami, jako jsou např. nominální křivky nebo parametrická teplotní křivka (ČSN EN 1991-1-2). Současný pokrok v oblasti výpočetní mechaniky však umožňuje aplikovat zpřesněné (zdokonalené) přístupy modelování požáru, např. výpočtové dynamické modely kapalin a plynů, tzv. CFD modely. Tyto modely je možné propojit s numerickými modely mechanické odezvy konstrukce založených na metodě konečných prvků.

Typy modelů požáru

Matematické modely požáru mohou být základních typů - deterministické nebo pravděpodobnostní. Deterministické modely se dělí na modely typu pole, mezi které patří programy FDS, SOFIE, SMARTFIRE, FLUENT, FLACS, EXODUS a na zónové modely, např. BRANZFIRE, CCFM, CFAST, CONTAM a ARGOS. Modely předpovídají chování požáru. Pravděpodobnostní modely mohou být tří skupin - síťové, statistické a simulační.

Mezi základní typy modelů patří nominální teplotní křivky, jako např. normová teplotní křivka, uhlovodíková teplotní křivka, křivka vnějšího požáru, křivka pomalého zahřívání aj. Tyto křivky popisují fázi plně rozvinutého požáru po flashover efektu s charakteristickým rychlým nárůstem teploty. Obvykle se používají k ověřování požární odolnosti stavebních konstrukcí, popř. při požárních experimentech ve zkušebnách. Jedná se o nejjednodušší model, který bývá ve většině případech velice konzervativní. Mezi zjednodušené modely požáru patří lokální požáry a parametrické teplotní křivky.

Zdokonalené modely požáru mají zohledňovat vlastnosti plynů, výměny hmoty a výměnu energie (ČSN EN 1991-1-2). Zónové modely vyjadřují ideální průběh požáru v uzavřeném prostoru. Vlastní koncept zónových modelů využívá empirie, neboť je založen na fyzikálních jevech pozorovaných při skutečných požárech. Zpočátku model popisuje průběh požáru místnosti před flashoverem, který předpokládá vytvoření dvou samostatných vrstev neboli zón - tedy dvouzónový model. Po flashover efektu nastává vytvoření pouze jedné zóny (celý prostor je vyplněn kouřem).

FDS (Fire Dynamics Simulator), program na bázi CFD, je založený na výpočetním modelu dynamiky kapalin a plynů. Řeší numericky Navier-Stokesovy rovnice, které jsou vhodné pro tepelně řízené proudění o malé rychlosti se zdůrazněním na kouř a tepelný transport od požáru. Parciální derivace rovnic zachování hmoty, hybnosti a energie jsou aproximovány jako konečné rozdíly a řešení je v závislosti na čase zlepšeno o třídimenzionální přímočarou síť.

Vstupní parametry pro modelování požáru

Pro úspěšné řešení simulace požáru musí být specifikovány vstupní parametry:

  • třírozměrná geometrie požářiště s rozměry podlah, stěn, stropu, otvorů (dveře, okna) a jejich polohy;
  • tepelně technické vlastnosti hraničních povrchů konstrukcí (obklady stěn, stropu);
  • poloha a tepelně technické a požární charakteristiky materiálů vč. hořícího předmětu;
  • větrání (nucené, přirozené a jejich kombinace);
  • prvky EPS a SHZ a jejich poloha.

Fyzikální tepelně technické a požární charakteristiky hořlavých látek/materiálů lze určit laboratorními požárními testy, nebo mohou být nalezeny v literatuře. Pro kvalitu modelování je důležitá studie citlivosti na přesnost jejich popisu.

Mezi další důležité parametry patří:

  • Objemová hustota materiálu ρ [kg/m3]: Je jeho hmotnost v jednotce objemu. Hustota materiálů je stanovována stanovením jejich hmotnosti a objemu.
  • Měrná tepelná kapacita: Pro materiály, u kterých probíhají fyzikálně chemické fázové přeměny při určité teplotě, může být jejich zdánlivá měrná tepelná kapacita definována jako součet vlastní měrné tepelné kapacity a skupenského tepla potřebného pro zvýšení teploty 1 kg materiálu o 1 K. Měrná tepelná kapacita je obecně měřena pomocí diferenční skenovací kalorimetrie (DSC).
  • Součinitel tepelné vodivosti λ [W/m.K]: Závisí na obsahu vlhkosti, teplotě, pórovitosti, hustotě a mikrostruktuře materiálu. K dispozici jsou dvě metody pro měření součinitele tepelné vodivosti pevných látek: metoda ustáleného stavu a metoda neustáleného stavu. Metoda neustáleného stavu se obecně uvádí jako metoda „horkého disku“.
  • Tepelná setrvačnost materiálu λ ρ c: Je výsledkem součinitele tepelné vodivosti λ, hustoty ρ a měrné tepelné kapacity c. Používá se při modelování neustáleného zahřívání pevných látek/materiálů.
  • Spalné teplo: Při všech reakcích spalování/hoření se uvolňuje tepelná energie. Spalná tepla jsou měřena spalovací bombovou kalorimetrií.
  • Reakční teplo (pyrolyzní teplo) Δhp [kJ/kg]: Je energie vyzařovaná nebo spotřebovaná při pyrolýze nebo tepelné degradaci materiálu. Nejběžnější experimentální metodou pro měření reakčního tepla je diferenční skenovací kalorimetrie (DSC).
  • Produkty hoření: Jsou látky, které vznikají v samotném procesu hoření. V důsledku složitých chemických reakcí, které probíhají při požáru, není možné předpovědět rychlost tvorby produktů jenom z jedné chemické reakce. Kónický kalorimetr, nábytkový kalorimetr a experimenty v požární místnosti měří některé produkty pomocí specifických analyzátorů plynů, často koncentrace O2, CO, CO2 a uhlovodíků.
  • Rychlost úbytku hmotnosti ṁ paliva: Je rovna rychlosti, při které zplyňování paliva probíhá. Při laboratorní zkoušce se měří rychlost úbytku hmotnosti vzorků ṁ v jednotkách [kg/s] nebo [kg/m2.s] za předepsaných tepelných podmínek.
  • Rychlost vývinu tepla (RHR): Nemůže být předpovězena z měření materiálových vlastností. Je funkcí tepelného prostředí, těkavosti paliva a účinnosti spalování těkavých látek. Většina zařízení měřících rychlost vývinu tepla používají princip kyslíkové kalorimetrie.

Příklad modelování požáru v kancelářském prostoru

Pro predikci vývoje teplot ve vybraném požárním úseku bylo zvoleno několik modelů požáru. Řešený prostor je uvažován jako kancelářský prostor o vnitřních půdorysných rozměrech 5,5 m × 9,8 m, světlá výška je 3,0 m. Prostor má pět oken, každé o rozměru 1,5 m × 2,0 m. Kancelářský prostor je navržen jako samostatný požární úsek. Stěny požárního úseku jsou z pórobetonového zdiva, tl. 500 mm (podélné stěny) a 200 mm (příčné stěny). Strop je z železobetonového deskového panelu o tl. 0,28 m.

Křivka rychlosti uvolňování tepla, která byla využita jako vstup pro výpočty v programech CFAST a FDS, byla stanovena pomocí vlastní aplikace FMC (Benýšek, Štefan 2017), implementovaný postup je popsán v ČSN EN 1991-1-2, Příloha E.4.

Pro porovnání mezi průběhy požáru z programu CFAST (zónový model) a FDS (CFD model) jsou zvoleny stejné časy, a to 10. a 50. minuta. Výstupem ze zónového modelu požáru je teplota v horní a dolní vrstvě - zónový model je rozdělen na dvě výpočetní kontrolní buňky (v případě flashover efektu - prostorového vzplanutí - má zónový model pouze jednu kontrolní buňku). Oproti tomu má CFD model vlastní pravoúhlou výpočetní síť, řešený prostor je rozdělen v pravidelném rastru na 32 400 kontrolních buněk. Výstupem z tohoto modelu je průběh teplot z termočlánků.

S ohledem na porovnání s normovou a parametrickou teplotní křivkou (křivky popisují prostorově rovnoměrnou teplotu) jsou teploty z 1520 termočlánků TCs zprůměrňovány, přičemž do výsledného grafu teplot jsou zakresleny zároveň všechny tyto křivky. Dále pro podrobnější porovnání teplot je vykreslena minimální, maximální a střední teplota poslední horní vrstvy termočlánků.

Volba modelu požáru značně ovlivňuje rozložení teplot v prostoru. Při použití nominálních teplotních křivek je teplota rovnoměrně rozdělená v prostoru a zároveň nominální teplotní křivky nezohledňují fázi chladnutí, materiálové vlastnosti, parametr větrání, druh požáru aj. Parametrické teplotní křivky lépe popisují průběh teplot, ale jejich použití je značně omezené. Zónové a CFD modely popisují nejlépe průběh požáru a rozložení teplot. Pro tyto modely je ale nutné znát hodně vstupních údajů, které ale není vždy jednoduché získat. Zónový model má velkou výhodu v rychlosti výpočtu simulace požáru, oproti CFD modelům. Použitím normové teplotní křivky jsou získávány značně konzervativní výsledky.

Na základě těchto simulací je možné doporučit, že teplotní křivky nejsou vhodným modelem pro složitější a větší požární úseky. Lepší volbou jsou CFD modely, avšak ty jsou náročné na délku výpočtu simulace a znalosti uživatele. Vhodnější volbou by mohly být zónové modely, ale ty mají jistá omezení.

Požární odolnost, která je stanovená podle nominálních teplotních křivek, má vždy svůj limit.

Integrace PVC do požárně bezpečných konstrukcí

Dodržování protipožárních předpisů pro armatury z PVC je nezbytné pro shodu s místními a národními stavebními předpisy. Různé normy, jako je Mezinárodní stavební zákon (IBC) a normy Národní asociace požární ochrany (NFPA), nastiňují požadavky na materiály a systémy používané ve stavebnictví. Tyto předpisy často nařizují specifické zkušební postupy pro posouzení požární odolnosti materiálů, včetně zkoušek šíření kouře a plamene. Nedodržení těchto kodexů může vést k významným důsledkům, včetně zpoždění projektu, zvýšených nákladů a potenciální právní odpovědnosti.

Požární odolnost hraje klíčovou roli při určování vhodnosti potrubních tvarovek z PVC pro stavební projekty. Tato hodnocení udávají, jak dobře může materiál odolávat požáru a vznícení, což je nezbytné pro zajištění bezpečnosti obyvatel a samotné konstrukce. Materiály jsou často kategorizovány na základě jejich hodnocení požární odolnosti, což může ovlivnit jejich použití v různých částech budovy, jako jsou stropy, stěny a vodovodní systémy. Například tvarovky z PVC používané ve vysoce rizikových oblastech, jako jsou například elektrické instalace nebo v oblastech náchylných k vystavení teplu, musí splňovat vyšší standardy požární bezpečnosti.

Integrace potrubních tvarovek z PVC do požárně bezpečných konstrukcí vyžaduje pečlivé plánování a provedení. Mezi osvědčené postupy patří výběr protipožárních materiálů, zajištění správných instalačních technik a provádění pravidelných kontrol, aby byly dodrženy bezpečnostní normy. Spolupráce s odborníky na požární bezpečnost ve fázi návrhu může poskytnout cenné poznatky o účinných strategiích požární ochrany. Začlenění pasivních protipožárních opatření, jako jsou protipožární systémy a ohnivzdorné bariéry, může dále zvýšit bezpečnost v budovách využívajících armatury z PVC.

Tabulka "Chování při požáru" poskytuje důležité informace týkající se správného chování v případě vypuknutí požáru. Tato tabulka by měla být umístěna na strategických místech v objektu, kde bude dobře viditelná pro všechny osoby. Znalost správného chování v případě požáru je klíčová pro zachování bezpečnosti osob. Tato tabulka slouží jako důležitý prvek v rámci celkového požárního plánu a měla by být dodržována všemi osobami ve vašem objektu.

Montáž samolepících bezpečnostních tabulek je snadná a rychlá. Fólie, z nichž jsou tabulky vyrobeny, jsou odolné v prostředí s teplotami od -40°C do +100°C, a jednorázově i až do +120°C. Na fólii lze navíc nesmazatelně psát lihovou tužkou. Samolepící bezpečnostní tabulky lze připevnit na všechny typy materiálů, jako jsou sklo, dřevo, kov, a umělé hmoty, s výjimkou zdiva, betonu nebo porézních hmot. Pro snadnější montáž jsou většina bezpečnostních tabulek na zadní straně opatřeny násekem. Pokud jde o montáž plastových bezpečnostních tabulek, je možné je připevnit pomocí speciálních hřebíků, které lze použít i v betonu.

tags: #chovani #pvc #za #pozaru #pro #fds

Oblíbené příspěvky: