Sarcina de incendiu

Toate materialele combustibile conţinute într-o construcţie reprezintă combustibilii potenţiali pentru un eventual incendiu În majoritatea construcţiilor există o cantitate de materiale inflamabile cum ar fi: haine, hârtie, cărţi, materiale plastice, textile, lemn, etc. şi totodată există posibilitatea apariţiei unor temperaturi ridicate şi riscul transferării unei cantităţi de căldură care să poată iniţia procesul arderii.

Energia calorică ce poate fi degajată in cazul arderii complete a tuturor materialelor combustibile aflate intr-un spaţiu precum şi a elementelor combustibile de construcţii (finisajele peretilor, pardoselilor şi plafoanelor ) reprezintă sarcina termică.

Spatiul luat in cpnsiderare , pentru care se determină sarcina termică, poate fi un compartiment de incendiu a unei construcţii sau, după caz, o parte a acestuia ( o incăpere sau un grup de incăperi, o hală sau o zonă a acesteia , unul sau mai multe niveluri ale constructiei, etc. )

Normele europene definesc compartimentul de incendiu ca fiind spaţiul dintr-o clădire, separat prin elemente verticale de construcţii faţă de restul clădirii, astfel încât propagarea focului în afara compartimentului să fie împiedicată în timpul incendiului.

Sarcina termică raportată la la suprafata compartimentului sau a spatiului de referinţă reprezintă densitatea caracteristică a sarcini termice (q f,k ) şi se măsoară in MJ/mp. Densitatea sarcinii termice poate fi determinată sau luată in considerare in două moduri : - conform recomandărilor pentru destinatia compartimentului sau spatiului; - prin studiu specific pentru un proiect individual

După destinatia construcţiei densitatea sarcini termice este dată in Tabelul .....

Tabelul ... Densitatea sarcinii termice q f,k (MJ/mp) pentru diferite destinaţii.Destinatie Medie 80%cuantila

Locuinte 780 948Spitale (camere) 230 280Hoteluri (camere) 310 377Biblioteci 1500 1824Birouri 420 511Clase de şcoală 285 347Centre comerciale 600 730Teatre, cinema 300 365Transport (spatiu public) 100 122

La sarcina din tabel se adaugă sarcina termică provenită din elementele de construcţii. Pentru alte tipuri de construcţii şi pentru un proiect anume se determină sarcina termică printr-o analiză luind in considerare destinatia constructiei , materialele adăpostite, mobilierul şi materialele de construcţii.

În norma romînească SR EN 1991-1-2 ( conform EUROCODE 1, partea 1-2) – Actiuni generale- Actiuni asupra structurilor expuse la foc se defineşte noţiunea de sarcină termică caracteristică astfel:

Qfi,k = S Mk,i . Hui yi =SQfi,k,i (2.1)unde,

Mk,i - cantitatea de material combustibil, în kg;Hui - puterea calorică inferioară a materialelor , în MJ/kg; determinată conform EN ISO 1716/2002;yi - factor facultativ care ia în considerare încărcările de incendiu protejate.

Puterea calorică a materialelor se determină experimental şi are, conform SR EN 1991-1-2 valorive din Tabelul .... ,pentru materiale uscate

Tabelul ... Valoarea puterii calorice inferioare . Hu0 (MJ/kg) a materialelor combustibileMateriale solideLemn 17,5Alte materiale celuluziceImbrăcămintePlutăBumbacHirtie , cartonMătasePaiLînă

20

Carbon AntracitCărbune lemnCărbune

30

Produse chimice

Seria parafinelorMetanEtanPropanButan

50

Seria olefinilorEtilenăPropilenăButenă

45

Seria aromaticilorBenzenToluen

40

Seria alcoolurilorMetanolEtanolAlcol etilic

30

CarburanţiBenzină, petrol (gaz lampant)Motorină

45

Hidrocarbonati plastici puriPolietilenăPolistiren

40

PolipropilenăAlte produseABS Alchibenzensulfonat(materiale plastice) 35Poliester (Plastic) 30Polizocianurat şi poliuretan(material plastic) 25Policlorură de vinil PVC (material plastic) 20Bitum, asfalt 40Piele 20Linoleum 20Anvelope de cauciuc 30

In alte acte normative valorile puterii calorice sunt cele din Tabelul .....

Tabelul 2.1 - Valorile calorice nete pentru unele materiale

solide Hu (MJ/kg) lichide Hu (MJ/kg)

antracit 34 benzină 44bitum 42 ulei mineral 41celuloză 17 ulei de in 39turbă 35 ulei parafina 41bumbac 18 spirt 29cox 31 benzen 40plută 29 alcool benzilic 33seminţe cereale 17 alcool etilic 27grăsimi animale 41 isopropil 31resturi alimentare 18 Hu

piele 19 gaze (MJ/kg)linoleum 20 acetilenă 48carton, hârtie 17 butan 46ceara parafină 47 monoxid de carbon 10anvelope cauciuc 32 hidrogen 120mătase 19 propan 46paie cereale 16 metan 50lemn 19 etanol 27lână 18 materiale plastice Hu (MJ/kg) materiale plastice Hu

(MJ/kg)acril 28 ureaformaldehidă 14celuloid 19 policlorură de vinil 17epoxid 34 poliuretan 23răşină melamină 18 polipropilen 43fenolformaldehidă 29 poliester 31

poliester, fibre 21 polietilenă 44polistiren 40 bitum 41

Conţinutul de umiditate ( u ) a materialelor se ia in considerare rezultind puterea calorică :

Hu = Hu0 (1 – 0,01 u ) – 0,025u ( ) unde : u - conţinutul de umiditate în % ; Huo - valoarea calorică a materialului uscat.

Densitatea sarcini termice caracteristice qf,k se defineşte astfel:

qf,k = Qfi,k / A (2.2)unde:

A - suprafata planşeului (Af ), compartimentului sau a spaţiului de referinţă, sau aria suprafeţei interioare (At) a compartimentului rezultţnd qfk sau qtk.

Din punct de vedere al prezenţei lor în compartimentul de incendiu încărcările de incendiu pot fi permanente sau variabile.

Încărcările permanente de incendiu se referă la încărcarea de incendiu care nu variază pe durata exploatării normale a

construcţiei. Acestea se iau în calcul pe baza valorilor rezultate din măsurători.

Încărcările variabile de incendiu se referă la încărcarea de incendiu a cărei valoare poate să varieze în decursul exploatării normale a construcţiei. Se iau în calcule cu valori care se presupune că nu vor fi depăşite pentru 80% din timpul de funcţionare a clădirii.

Mai există o categorie de încărcări de incendiu, şi anume încărcările protejate. În cazul în care protecţia rezistă expunerii la foc încărcarea aceasta nu se ia în considerare.

Valoarea de calcul a sarcinii termice are valoareaq f,d = m . δq1 . δq2 . δn .qf,k (2.4)

unde:m – coeficient de combustie ;δq1 - coeficent care ia în considerare riscul de activare a incendiului legat de mărimea compartimentului ;δq2 - coeficent care ia în considerare riscul de activare a incendiului legat de destinaţie ;δn = ∑ δni - coeficent care ia în considerare prezenta diverselor măsuri active de luptă contra incendilor (spinklere, detecţie, alarmă etc ); qf,k - densitatea sarcinii termice determinată dintr-o clasificare sau special pentru un proiect anume.

Coeficentii care iau in considerare riscul de activare a incendiului (δq1 , δq1 ) .au valorile din Tabelul ........

Tabelul ....... Coeficenţii riscului de activare a incendiului (δq1 , δq2 )

Suprafata planseului

compartimentului

AF (mp)

δq1 δq2 Exemple de destinaţii

25 1,10 0,78 galerii de artă, muzee, piscine250 1,50 1,00 birouri, locuinţe, hoteluri, industria de

papitărie2500 1,90 1,22 industria construcţiilor de maşini şi

motoare5000 2,00 1,44 laboratoare de chimie, atelier de

vopsitorie10 000 2,13 1,66 fabrică de vopsele, artificii

Coeficentii care iau in considerare riscul de activare a incendiului (δni ) .au valorile din Tabelul ........

Măsuri active de luptă impotriva incendiilorStingere automată a

foculuiDetecţie

automată a focului

Stingere automată a focului

Sistem automat de stingere cu apă

Surse independente de apă

1 2 3

Detectie şi alarmă automate prin căldură sau fum

Alarmare automată pompieri

Post propriu pomperi

Fără post propriu

Căi de acces libere

Ech. De luptă cu focul

Sisteme de desfăsurare

δn1 δn2 δn3 δn4 δn5 δn6 δn7 δn8 δn9 δn10

0,61 1,0

0,87

0,7

0,87 sau 0,73

0,87 0,61 sau 0,87 0,9 sau 1,0 sau 1,5

1,0 sau 1,5

1,0 sau 1,5

Densitatea sarcinii de incendiu este exprimată în unele norme normele şi prin echivalarea sarcinii de incendiu cu un volum de lemn care ar elibera prin ardere o cantitate egală de căldură, folosind formula de mai jos:

(2.5)

4400 - reprezintă puterea calorică convenţională a lemnului (Kcal/kg).;

A - este aria suprafeţei orizontale considerate;Gi - este greutatea diverselor materiale (kg)Hs - sunt puterile calorice ale materialelor

combustibile ( Kcal/kg).Încărcarea de incendiu care rezultă se va măsura

în kg lemn/m2.

Pentru evaluarea gradului de distrugere pe care-l poate provoca incendiul se defineşte noţiunea de intensitate a focului (sau puterea focului) ca fiind cantitatea de energie eliberată într-un incendiu, în unitatea de timp. Se măsoară în Kcal/min sau Kcal/oră. Această mărime este invers proporţională cu timpul de ardere şi direct proporţională cu viteza de ardere. Astfel la o viteză mare de ardere corespunde o putere mare a focului şi implicit o încărcare de incendiu mare.

Pentru puterea focului mai sunt determinanţi factori ca : mărimea suprafeţei libere a combustibilului, dimensiunile şi forma, poziţia combustibilului în spaţiul afectat de incendiu. Spre exemplu un acelaşi volum de

lemn arde cu viteză mică dacă este sub forma unui bloc compact şi cu o viteză mult mai mare dacă este sub forma unei grămezi de formă neregulată.

Fluxul total de căldură, sau fluxul termic total reprezintă energia absorbită de elementele portante şi de închidere, ale structurii, raportată la unitatea de suprafaţă şi unitatea de timp.

Fluxul de căldură

Pentru determinarea fluxului total de căldură hnet se ia în considerare atât radiaţia termică cât şi convecţia de la şi spre focul din imediata vecinătate a elementului de construcţii expus la acţinea focului.Pentru efectuarea calculelor utilizând curba temperatură-timp, fluxul total de căldură din convecţie şi radiaţie este:

hnet,d = n,c . hnet,c + n,r . hnet,r în W/m2 (2.8)unde:

hnet,c – componenta de convectie a fluxului termic;hnet,r – componenta de radiaţie a fluxului termic;n,c - factor privind convecţia ce ţine seama de sistemul naţional de încercare la foc şi va fi luat n,c = 1;

n,r - factor privind radiaţia, ce ţine seama de sistemul naţional de încercare la foc şi va fi luat n,r = 1;

Componenta din radiaţie a fluxului de căldură pe unitatea de suprafaţă se determină cu:

hnet,r = F .em . .ef .σ [(Qr+273)4- (Qm+273)4] W/m2 (2.6)

unde: F - factorul de formă; în afara cazurilor speciale prevăzute de norme se va lua egal cu 1,0;em – emisivitatea suprafetei elementului luată in mod curent cu valoarea 0,7; ef - emisivitatea incendiului luată in mod curent cu valoarea 0,8;Qr - temperatura de radiaţie a mediului asupra elementului, în °C; temperatura de radiaţie va fi considerată temperatura curbei standard;Qm - temperatura pe suprafaţa elementului, în °C; rezultă din calculul de transfer termic asupra elementului;σ = 5, 67 . 10-8 W/m2.K4.- constanta lui Stefan Boltzmann

Componenta convectivă a fluxului de căldură pe unitatea de suprafaţă va fi determinată cu formula:

hnet,c= ac(Qg-Qm) W/m2 (2.7)

undeac - coeficientul de transfer termic prin convecţie în W/m2K; ac=25 W/m2K; pe faţa neexpusă la foc a elementului de separare, transmiterea de flux termic prin radiaţie se va neglija, iar pentru coeficientul de transfer termic prin convecţie se va adopta ac= 9 W/m2K; Qg - temperatura gazelor fierbinţi în vecinătatea elementului în timpul expunerii la foc, în °C;Qm - temperatura pe suprafaţa elementului în °C;

b) Curba focului exterior

Se referă la solicitarea termică dată de un foc exterior, şi are expresia următoare:

qg = 660 ( 1-0,687 . e-0,32t - 0,313 . e-3,8t) + 20 , în °C; (2.10)unde

qg este temperatura gazelor în mediul în care se află elementul structural;t este timpul în care elementul este expus la foc;

c) Curba hidrocarburilor

qg = 1080 (1-0,325 e-0,617 t - 0,675 e-2,5t) + 20 , în °C; (2.11)

unde,qg - temperatura gazelor în compartimentul de incendiu;t- timpul de expunere la foc;

Normele germane DIN 18230, pentru a face legătura dintre focul natural şi focul descris de curbele de incendiu, introduc conceptul de durată echivalentă a focului, concept preluat şi în EUROCOD 1 cu titlul informativ. Conform acestui concept durata focului este:

te= C . W . q (2.12)unde,

C - este factor de conversiune (min/MJ/m2) care ţine cont de proprietăţile elementelor structurale şi de sarcina de incendiu pe durata focului;

W - factorul de ventilare determinat funcţie de aria dschiderilor şi aria pardoselii sau aria totală a compartimentului;q - densitatea sarcinii de incendiu.

Odată definită durata echivalentă se poate determina câmpul de temperaturi din elementul structural folosind curba standard.

d) Curba parametrică temperatură-timp

Poate fi folosită pentru compartimente de incendiu cu suprafaţa pardoselii sub 100m2, fără deschideri în acoperiş şi cu înălţimea compartimentului de maxim 4m.

Curba temperatură-timp în faza de ardere este descrisă de ecuaţia:

Qg = 1325 (1-0,324 e-0,2t* - 0,204 e-1,7t* - 0,472 e-19t) (2.13)

t* = t . G; G = (O/b)2 / (0,04 / 1160)2; ;unde:

Qg - temperatura în interiorul compartimentului de incendiu (°C);t - timp (h);b trebuie să se încadreze în limitele: 1000 £ b £ 2000 (J/m2s1/2K);

O - factorul de deschidere, definit prin raportul , şi având limitele următoare: 0,02 £ O £ 0,20 (m1/2) ;Av - aria deschiderilor verticale (m2);h - înălţimea deschiderilor verticale (m);At - aria totală a închiderilor (ziduri, tavane şi acoperişuri, inclusiv aria golurilor);r - densitatea materialului închiderilor (kg/m3);c- căldura specifică a materialului închiderilor (J/kgK);l- conductivitatea termică a închiderilor (W/mK);

Pentru a se lua în considerare diferite straturi de materiale pentru închideri

se poate introduce şi sub forma:

(2.14)

unde si este grosimea stratului i;ci este căldura specifică a stratului i;li este conductivitatea termică a stratului i;

Pentru a lua în considerare zidurile, tavanele şi planşeele executate din diferite materiale valoarea lui b se calculează astfel:

(2.15)unde,

Atj este aria închiderilor (inclusiv golurile) cu proprietăţile termice definite de bj.

Curba temperatură-timp în faza de răcire este dată de:Qg = Qmax . 625 (t* - td*) , pentru td*£0,5; (2.16)Qg = Qmax . 250 (3 - td*) (t* - td*) , pentru 0,5 < td* < 2; (2.17)Qg = Qmax . 250 (t* - td*) , pentru td* ³ 2; (2.18)

unde Qmax este temperatura maximă în faza de ardere (°C) pentru t* = td*;

(2.19)

qt,d este valoarea de calcul a densităţii sarcinii termice pentru aria At a închiderii, unde qt,d = qf,d Af / At (MJ/m2); 50 £ qt,d £ 1000 (MJ/m2);

qf,d - valoarea de calcul a densităţii sarcinii termice relativ la suprafaţa de arie Af a pardoselii (MJ/m2).

Evaluarea riscului de incendiu

Riscul de incendiu reprezintă probabilitatea izbucnirii incendiilor in spaţii, incăperi, compartimente sau construcţii . In construcţiile civile se foloseste notiunea de risc de incendiu iar in construcţii cu destinaţie de productie şi depozitare se exprimă prin categorii de pericol de incendiu.

Evaluarea riscului de incendiu se face pe baza decsitătii sarcini termice şi a destinatie constructiei. Astfel in clădirile civile riscul de incendiu poate fi : - mare pentru qi > 840 MJ/mp - mijlociu pentru 420 MJ/mp <qi < 840 MJ/mp - mic qi < 420 MJ/mp In functie de destinatie unele spatii din clădirile civile se incadrează in următoarele riscuri de incendiu : - mare – pentru zone in care se utilizează sau depozitează materiale sau substante combustibile ( arhive, biblioteci, multiplicare, parcaje,etc) - mijlociu la spatii in care se utilozează foc deschis ( bucătării, centrale termice, ofici cu preparări calde etc ) - mic celelelte incăperi Pentru intregul compartiment de incendiu sau clădire riscul de incendiu considerat va fi cel mai mare care reprezintă minimum 30 %din volumul acestora.