La elementele din oțel fără protecție la foc, temperatura crește rapid în timpul unui incendiu. Timpul până la temperatura critică depinde de caracteristicile termice ale oțelului, de geometria secțiunii și de condițiile de expunere la foc.
Cum se încălzește oțelul neprotejat?
Oțelul are o conductivitate termică ridicată. De aceea, la elementele metalice uzuale se poate considera că temperatura este uniformă pe întreaga secțiune transversală.
Viteza de încălzire depinde în principal de raportul dintre suprafața expusă la foc și volumul elementului, adică de factorul de secțiune Am/V.
Cu cât factorul de secțiune este mai mare, cu atât elementul se încălzește mai repede. Profilele cu pereți subțiri ating temperatura critică într-un timp mai scurt decât profilele masive.
Calculul temperaturii oțelului
Conform SR EN 1993-1-2, pct. 4.2.5.1, creșterea temperaturii unui element din oțel neprotejat se determină incremental, pentru fiecare pas de timp Δt:
Temperatura oțelului la sfârșitul pasului de calcul este:
Fluxul termic net
Căldura ajunge la elementul metalic prin convecție și radiație:
Temperatura gazelor θg se determină din curba de incendiu adoptată. Pentru curba standard ISO 834, coeficientul de transfer termic prin convecție este αc = 25 W/(m²K).
Calculul din acest ghid folosește εm = 0,7 și εf = 1,0.
Capacitatea calorică specifică a oțelului ca variază cu temperatura și schimbă viteza de încălzire. În jurul temperaturii de 735 °C are un maxim pronunțat, iar creșterea temperaturii oțelului încetinește temporar.
Factorul de secțiune și efectul de umbră
Factorul de secțiune Am/V este raportul dintre suprafața prin care elementul primește căldură și volumul său.
La unele profile, geometria secțiunii produce un efect de umbră care modifică distribuția fluxului termic. Acest efect se ia în considerare prin factorul de umbră ksh.
În calcul se folosește factorul de secțiune modificat:
Profile I și H
Pentru profilele I și H expuse pe trei sau patru laturi, factorul de umbră se determină cu relația din SR EN 1993-1-2:
(Am/V)b este factorul de secțiune al profilului idealizat printr-o casetă dreptunghiulară.
Secțiuni tubulare
Pentru secțiunile tubulare circulare, pătrate sau dreptunghiulare expuse pe întregul contur, ksh = 1,0. În acest caz, factorul de secțiune modificat este egal cu factorul de secțiune geometric.
Exemplu: profil HEB 300
Un profil HEB 300 expus pe patru laturi are Am/V = 116 m−1. Cu un factor de umbră ksh = 0,62 rezultă (Am/V)mod = 72 m−1.
Un factor de secțiune modificat mai mic înseamnă o încălzire mai lentă a elementului.
Timpul până la atingerea temperaturii critice
Timpul de rezistență la foc al unui element neprotejat se poate estima prin momentul în care temperatura oțelului atinge temperatura critică θa,cr.
Temperatura critică depinde de gradul de utilizare al elementului și de tipul verificării structurale în situația de incendiu.
Tabelul următor dă timpii de încălzire, în minute, pentru diferite valori ale factorului de secțiune modificat și pentru temperaturi reprezentative ale oțelului. Valorile sunt calculate pas cu pas cu ec. (4.25), sub curba ISO 834.
Timpul de atingere a temperaturii oțelului neprotejat
| ksh·Am/V [m−1] | 450 °C | 500 °C | 550 °C | 600 °C | 650 °C | 700 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 17,5 | 19,5 | 21,8 | 24,3 | 27,2 | 30,8 |
| 100 | 11,4 | 12,8 | 14,4 | 16,3 | 18,5 | 21,5 |
| 150 | 9,0 | 10,2 | 11,5 | 13,2 | 15,2 | 18,0 |
| 200 | 7,7 | 8,7 | 9,9 | 11,4 | 13,3 | 16,1 |
| 250 | 6,8 | 7,7 | 8,8 | 10,3 | 12,2 | 15,0 |
| 300 | 6,1 | 7,0 | 8,1 | 9,4 | 11,3 | 14,3 |
Pentru valori intermediare se poate interpola.
Valorile din tabel sunt timpii necesari pentru atingerea temperaturii indicate, nu clase de rezistență la foc garantate pentru orice element structural.
Implicații pentru proiectarea la foc
Rezistența la foc a elementelor din oțel neprotejat depinde în principal de factorul de secțiune modificat și de temperatura critică rezultată din verificarea structurală.
- Profilele cu factor de secțiune ridicat se încălzesc rapid și pot atinge temperatura critică în primele minute ale incendiului.
- Profilele masive au o inerție termică mai mare și pot avea timpi mai mari de rezistență la foc.
- Elementele cu grad de utilizare redus admit temperaturi critice mai ridicate, deci pot avea timpi mai mari de rezistență la foc.
- Pentru clase precum R 60 sau R 90 este, în general, necesară protecția pasivă la foc.
Timpul până la temperatura critică se determină pentru fiecare element, în funcție de caracteristicile secțiunii și de solicitările de calcul în situația de incendiu.
Material informativ bazat pe SR EN 1993-1-2. Nu înlocuiește textul standardului, Anexa Națională sau verificarea de către un inginer calificat.