UNIVERZITET U NOVOM SADU PAKULTET TEHNIČKIH NAUKA STUDIJSKI PROGRАM: UPRAVLJANJE RIZIKOM OD KATASTROFALNIH DOGAĐAJA I POŽARA
SEMESTARSKI RAD
UTICAJ ZEMLJOTRESA NA GRAĐEVINSKE OBJEKTE
ASEIZMIĈKO PROJEKTOVANJE I NENOSEĆE
POŽARNE PREPREKE
Studenti:
Profesor:
Erik Astaloš ZK 32/2012 Ljubomir Knežević ZK 55/2012
prof. dr LaĎinović ĐorĎe
Sadržaj 1.
Uvod ............................................................ .................................................................................................................................. .............................................................................................................. ........................................ 1
2.
Rizici i ciljevi .............................................................. .................................................................................................................................... ................................................................................................ .......................... 2
3.
.......................................................................................................... 4 Otpornost prema požaru i požarne prepreke ...........................................................................................................
4.
Ponašanje konstrukcije, elementi konstrukcije pri zemljotresu ............................................................................... 5 4.1. Uticaj oblika i dispozicije konstrukcije na pona šanje pri zemljotresu ................................................................... 5 zemljotresu ....................................................................
4.2. Ponašanje konstrukcije pri zemljotresu ................................................................................................................. 6 5.
.............................................................................................. ........................ 10 Spajanje požarne prepreke i asizmičke konstrukcije ...................................................................... ............................................................................ ................ 10 5.1. Spajanje nenoseće požarne prepreke za noseću konstrukciju ............................................................ 5.2. Lake konstrukcije......................................... konstrukcije............................................................................................................ ......................................................................................................... ...................................... 12
6.
Zaštita nenosećeg požarnog prepreka pada ........................................................................................................... 13 6.1 Ukrućivanje ozidanog zida ............................................................ ............................................................................................................................... ........................................................................ ..... 13 .................................................................................................................................. ............................................................ 13 6.2. Ukrućivanje požarnih vrata ......................................................................
7.
...................................................................................................................... ............................................................. 15 Zaštita seizmičke izolacije od požara .........................................................
8.
Mašinske instalacije i električne instalacije ........................................................... ............................................................................................................ ................................................. 17
9.
Literatura................................................................... ...................................................................................................................................... .............................................................................................. ........................... 19
1. Uvod Zemljotresi i požari se dogaĎaju u čitavom svetu i odnose mnogo ljudskih života i znatan deo budžeta države. Kada se zemljotres i požar dešava zajedno ili češće požar nastaje posle zemljotresa , katastrofa je skoro neizbežna. Projektovanje objekata koji su otporni na dejstvo zemljotresa kao i projektovanje objekata koji su otporni na požar su već stari zanati ali dosta labavo spojeni - retko pričaju o tome da li objekat posle ozbiljnijeg zemljotresa sačuva otpornost prema požaru. U ranijim godinama asizmičko projektovanje je bil o bazirano na pravilnim kotiranjem nosive konstrukcije. U današnjim godinama se posvećuje pažnja i za izradu takve nenose će konstrukcije koje mogu pretrpeti zemljotres i da svaki nenosivi element konstrukcije mora da bude tako izveden da pri zemljotresu ne utiče negativno na nosivnu konstrukciju . U meĎunarodnoj literaturi mnogo pažnje je posvećeno na požarima posle zemljotresa, ali mnogo manje se bave sa projektovanjem nenosive konstrukcije koji su otporni prema požaru.
1
2. Rizici i ciljevi R izik od zemljotersa predstavlja verovatnoću nastanka zemljotersa sa odreĎenom magnitudom na odreĎenom
mestu u odreĎenom periodu. Naučno se ne mogu izvesti prognoze zemljotersa za spefičan dan ili mesec. MeĎutim, za dobro razumevanje raseda i seizmičkih hazarda, postoje mape koje mogu ukazati na verovatnoću koju može izazvati zemljotres za dati intenzitet i datu lokaciju za odreĎen broj godina Osnovni ciljevi zaštita od zemljotresa je: zaštita ljudskih života oštećenja ograničenja sačuvanje vitalnih elementa za društvo
Spoj izmeĎu zemljotresa i požara u smislu aseizmičkog projektovanja je sledeći: seizmično projektovani nenosivi elementi – kao i požarne prepreke – mogu negativno uticati na nosivni sistem požar koje nastaje posle zemljotresa zbog oštećenja požarne prepreke možu da se proširuje na ceo objekat ili izvan objekta Pri zemljotresu sledeća oštećenja mogu da utiču na otpornost prema požaru : oštećenje nosivne konstrukcije zbog nepravilnog projektovanja konstrukcija izgubi integritet (npr. pukotine, rascepi) oslabljenje slojeva koji štite osetljive elemente od toplotnog dejstva (raspadanje maltera, oštećenje betona kod AB elemente) oštećenja požarne prepreke (vrata otporna na požar, pregradni zidovi , klapne, zavese itd.) oštećenja aktivnih delova zaštita od požara (sprinkler)
oštećenja evakuacionih puteva Izvori paljenja posle zemljotresa: oštećena komunalna elektroenergetska postrojenja i postrojenja zapaljive m aterije (gasovod, naftovod) oštećenja instalacija unutar objekta
Prema zakonodavnim merama objekti moraju biti tako kontruisani da u izvesnoj meri izdrže zemljotres i da se pri zemljotresu ili požaru korisnicima omogućuje bezbedna i samostalna evakuacija i takoĎe je omogućena intervencija. Za to svrhu u normativinim aktima postoje dva osnovna zahteva: 1.Zaht ev da se objekat ne sruši: Konstrukcija mora da bude projektovana i izvedena da izdrži projektni zemljotres bez lokalnog i globalnog
rušenja Kapacitet nosivosti i konstrukcijski integritet moraju biti sačuvani nakon prestanka dejstva zemljotresa. Posle zemljotresa konstrukcija može biti ekonomski nepopravljiva ali bi trebala obezbediti sigurnu evakuaciju stanara pri dejstvu afteršokova 2.Zaht ev ograničenja oštećenja: Konstrukcija mora biti projektovana i izvedena da izdr ži seizmičko dejstvo sa većom verovatnoćom pojave od
projektnog seizmičkog dejstva bez značajnije pojave oštečenja Treba izbeći ograničenja u korišćenju Cena opravke ne bi trebala da bude previsoka u odnosu na cenu same konstrukcije
Konstrukcija bi trebalo da ima sačuvanu nosivost i krutost, bez trajnih oštećenja i bez potrebe za sanacijom. Nekonstruktivna oštećenja trebaju biti ekonomski popravljiva Zaštita od efekata zemljotersa i zaštita od požara su jedan od osnovnih principa projektovanja objekta. A ti principi nisu odvojeni, jer zemljotres i požar se često dešavaju zajedno jedan posle drugog. Principi projektovanja elemente konstrukcije koje predsatvljaju požarne prepreke aseizmičkog objek ta: 2
moraju da ispune zahteve u smislu zaštita od požara ne utiču negativno na nosivu konstrukciju da ne oštećuju na takav način da onemogućavaju evakuaciju ili izgube funkciju požar ne prepreke
3
3.
Otpornost prema požaru i požarne prepreke
Otpornost prema požaru je sposobnost nekog elementa graĎevinske konstrukcije da za odreĎeno vreme ispuni traženu stabilnost, integritet prema požaru i toplotnu izolaciju i/ili drugu očekivanu ulogu pri standardnom ispitivanju otprnosti prema požaru. Požarni sektor je prostor u zgradi koji je od drugih delova odvojen požarnim preprekama. Požarne prepreke mogu biti: meĎusobno rastojanje, zidovi (klasični i viseći), meĎuspratne konstrukcije, ispuni za zatvaranje otvora,
požarna vrata, dimna vrata, dimne zavese,
specijalne zastaklene površine, protivpožarne klapne. Požarne prepreke u smislu aseizmičkog projektovanja mogu biti: noseći element konstrukcije kao požarna prepreka (požarni zidovi, meĎuspratne konstrukcije) nenoseći element koji zbog sopstvene težine utiče na ponašanje nosivnosti konstrukcije nenoseće lake konstrukcije, koje nemaju efekat na noseću konstrukciju pri zemljotresu (npr. zidovi od gipskartona)
4
4. Ponašanje
konstrukcije, elementi konstrukcije pri zemljotresu
4.1. Uticaj oblika i dispozicije konstrukcije na pona šanje pri zemljotresu Pricipi projek tovanja aseizmičkih konstrukcija: jednostavan oblik konstrukcije ravnomernost, simetrija rezerve u nosivnosti otpornost prema horizontalnim silama otpornost na uvrtanje krutost tavanica u svojoj ravni pravilna fundiranja raspored masa i krutosti u osnovi i po visini
Nepovoljni oblici i konstrukcije u smislu aseizmičnost: nepravilan raspored mase (oblici T i L, raznovrsnost u povr šini spratova, komplikovanost, asimetrija) neravnomeran otpornost na horizontalne sile (fleksibilno prizemlje, sprat, diskontinuitet krutosti, velike mase na spratovima)
neobične konstrukcije (šatori velikom rasponom, konstrukcije na kosini itd,) Pored konstruktivnog rešenja pojedinih objekata, važan je i meĎusobni utacaj izmeĎu objekta:
gusto sagraĎeni objekti, naročito različitih visina – period oscilovanja je različit i može da doĎe do meĎusobnih udara
spojeni objekti bez dilatacije, oblici L, U sa požarnim zidovima na krajevima
požarni zid na tavanu spojen samo za meĎuspratnu konstrukciju (obično 12 cm)
rušenje požarnog zida na tavanu (izvor : langlovagok.hu)
samostojeći dimnjaci i zidovi 5
kolaps požarnog zida usled dejstva toplote (izvor: langlovagok.hu)
4.2. Ponašanje konstrukcije pri zemljotresu Prema Eurocode 8 elementi konstrukcije mogu biti: primarni seizmički elementi - elementi koje su otporni na dejstvo seizmičke sile u skladu sa standardom sekundarne seizmičk i elementi - elementi koje nisu deo aseizmičkog konstruisanog sistema
Noseći elementi konstrukcije koji su i ujedno i požarne prepreke (požarni zidovi, meĎuspratne konstrukcije) su najčešće izraĎeni kao ozidana, monolit ili prefabrikovana armirano-betonske konstrukcija. Kod njih u pogledu zaštite od požara je najvažnija funkcija održanje integriteta – da ne nastaju pukotine, odnosno veličina pukotine treba da bude ograničena. Prema Eurocode-u dozvoljene veličine pukotine je 6 x 150 mm odnosno 490 mm2.
oštećenja zida posle seizmičkog ispitivanja
Stepeništa imaju značajnu ulogu pri projektovanju zaštite od požara i pri zemljotresnog inžinjeringa jer se kroz njih vrši evakuacija. Stepenište se najčešće izraĎuje kao monolit ili prefabrikovana AB konstrukcija i sadrži takve elemente (krake i odmorište) koji nisu u istoj ravni kao meĎuspratnice. Pri zemljotresu ovi elementi osciliraju u horizontalnoj ravni i dodatno opterećuju zidove oko stepenišnog prostora. U visokim objektima stepenišni prostor treba da bude poseban požarni sektor zato je izuzetno važno da očuvaju integritet. Najčešći problemi kod stepeništa: elementi konstrukcije montažne AB stepenište se odvajaju i raspadaju
6
raspadanje monta žnog stepeništa (izvor : University of Canterbury, NZ)
horizontalna oscilacija stepeništa značajno mogu da oštete nenosive zidove (monolitna AB konstrukcija) raspadanje, oštećenje visećeg plafona i zidnih obloga u stepenišnom prostoru
oštećenje ozidanog stepenišnog prostora (izvor : FEMA E-74)
Nenoseći ozidani zidovi imaju dva problema: lako nastaju pukotine, rascepi na njima - izgube i ntegritet i otpornost prema toplotnom fluksu
oštećenje nenosivog zida (izvor: FEMA 74)
zbog krutosti zidova, negativno utiče na elastičnosti nosećeg konstrukcije
7
uticaj ozidanog zida na noseću konstr ukciju (izvor: FEMA 74) Uzrok negativnog uticaja je jasno, ispuni zidovi – ako su direkno ukrućeni za noseću konstrukciju – zbog svoje
krutosti ne dozvoljavaju oscilovanje noseće konstrukcije tj. smanjuju duktilnost. Najčešće se javljaju oštećenja kod otvora neposredno pored noseće konstrukcije. Lake konstrukcije kao po žarne
prepreke su obično sendvič paneli i gipskarton ploče koje su učvršćeni na noseću konstrukciju. Prema istraživanjima i kao u praksi je pokazano da već pri malim zemljotresima na gipsk artonu se javljaju pukotine kojima zid izgubi integritet od požara. Pored izgubljenog integriteta javlja se i drugi možda i veći problem tj. raspadanje panela, koji predstavlja rizik na ljude unutar objekta i otežava čak i onemogućava evakuaciju.
raspadanje lake
konstrukcije onemogućava bezbednu evakuaciju (izvor: FEMA E-74)
Ponašanje lak e konstrukcije u slučaju zemljotresa – Kalifornija 1994 (izvor: FEMA E-74) Zastakljene konstrukcije jako oscilacijama:
su osetljive na uticaj zemljotresa. Vrsta stakla odreĎuje kako će se ponašati pri
8
Obično staklo se već pri malim zemljotresima lomi u velike oštre komade koji predstavljaju opasnost za ljude i nije pogodan za formiranje požarnih sektora. Kaljeno staklo r azbija se na male komadiće, te se rizik potencijalnog povreĎivanja smanjuje na minimum ali više neće biti u funkciji. Laminirano sigurnosno staklo koje se sastoji od dva ili više sloja stakla, te jednog ili više meĎuslojeva PVB-a (polyvinylbutyral), koji doprinose znatno većem kvalitetu čvrstoće i elastičnosti. U slučaju razbijanja stakla, krhotine i komadići stakla ostaju zadržani u okviru stakla zahvaljujući upravo plastičnom meĎusloju. Osim vrsta stakla bitan faktor je njena površina tj. mala površina manja opterećenja.
obično staklo
kaljeno staklo
laminirano sigurnosno staklo
9
5. Spajanje požarne prepreke i asizmiĉke konstrukcije 5.1. Spajanje nenoseće požarne prepreke za noseću konstrukciju
Za izbegavanje krtog loma nenoseći zidovi moraju biti odvojeni od noseće konstrukcije. Obično to se postiže nekom elastičnom ispunom kao što su purpen ili gumena platna ali ove gorive materije nikako se ne smeju koristiti za požarne zidove.
gumena platna izme Ďu nosećeg konstrukcije i nenosećeg zida ( izvor: vedelem.hu)
Za pravilno odvajanje noseće i nenoseće konstrukcije potrebno je obezbediti odreĎen razmak izmeĎu njih koji mora biti ispunjen specijalnim ispunom otporan na požar. Ispuni otporni prema požaru: 1. vatrootporna pena 2. vatrootporna zaptivna masa 3. mineralna vuna 4. silikonske opeke 1. Vatrootporna pena laka za rad nisu elastične - samo za stalan otvor
boja keki ili pink (nikako žuta ili bela) za otvore široke 20-50 mm i duboke 100-200 mm
Vatrootporna pena (izvor: Promat)
2. Vatrootporna zaptivna masa za otvore široke 10-20 mm i duboke 200 mm elastičnih ali nema podataka o njihovom ponašanju pri zemljotresu
10
vatrootporna zaptivna masa (izvor: Promat)
3. Mineralna vuna pokrivena sa ekspandujućom masom je jedna od najrasprostirenijih rešenje za zaptivanje. za otvore široke 50-300 mm i duboke 150 mm osetljiv na vodu elastična ali nema podataka o njihovom ponašanju pri zemljotresu
mineralna vuna pokrivena sa 4.
ekspandujućom masom (izvor: Intumex)
Elastiĉni, ekspandujuć i blokovi, opeke najčešće se koriste za zaptivanje otvora za prolaz instalacija kroz konstrukcije. s pajanje pojedine opeke vrši se pomoću vatrostalne mase. vatrootporni blokovi se sastoje od trajno elastičnog penastog materijala koji u slučaju požara stvara penu. blokovi se prilagoĎavaju uslovima ugradnje sečenjem običnim nožem.
vatrootporni blokovi najčešće se koriste za izolaciju otvor a za kablove, ali isto tako je pogodan za zaptivanje drugih otvora (izvor: Promat)
5. vatrootporne trake za fuge
sastoje se od vatrootporne pene i ekspandujućeg laminata pena mu daje elastičnost a laminat daje vatrootpornost imaju podatak o dozvoljenom pomeranjem za otvore do 55 mm
11
vatrootporna traka za fugu (izvor: Promat)
5.2. Lake konstrukcije
Lake konstrukcije ne utiču na noseću konstrukciju kao teške ozidane konstrukcije. Cilj spajanja lake konstrukcije za noseću konstrukciju je da ne oštećuju i zadrže svoj prvobitni položaj. ProizvoĎači već godinama proizvode takva rešenja kojima se toleriše pomeranje noseće konstrukcije od 15-20 mm, koji nije dovoljan za sačuvanje lak e konstrukcije od oštećenja.
ukrućivanje gipskarton ploče (izvor : Knauf)
12
6. Zaštita
nenosećeg požarnog prepreka pada
6.1 Ukrućivanje ozidanog zida Prema Eurocode-u ozidani zidovi moraju se ukrućivati za noseću konstrukciju. To su u prošlosti postizali pomoću perforiranog lima ili armiranjem koje se smatra da nisu pogodna rešenja.
klasična fiksranja nenosećeg zida (izvor : Ytong) U SAD-u postoje armature kojima se može obezbediti pomeranje do izvesne granice. Nevidljivi su, pričvšćuju se u malteru.
dr žači ozidanog zida (izvor: Paul Curtis, Heckmann Building Products)
specijalni ekseri za ukru ćivanje zida (izvor: ancon.co.uk)
6.2. Ukrućivanje požarnih vrata
Požarna vrata imaju ulogu da štite otvore na požarnim sektorima od širenja požara. Pri jačim zemljotresima tešk a požarna vrata skloni su za ispad iz zida, pri tome ne samo da izgube svoju prvobitnu funkciju nego predstavljaju opasnost za ljude i otežavaju evakuaciju. U normalnom slučaju to može da se desi samo kod požarnih vrata koji su ukrućeni pomoću vatrootporne pene.
13
ukrućivanje požarnih vrata gorivim purpenom (izvor: vedelem.hu)
14
7. Zaštita seizmiĉke izolacije od
požara
Pomeranja aseizmi čk og objekta u velikoj meri može da se smanjuje ukoliko se objekat elastično oslanja na fundiranje.
princip rada seizmičkog izolacija (izvor : nees.org)
Primenom seizmičke izolacije moguća je znatna redukcija seizmičkih sila, što omogućuje da konstrukcija ostane u elastičnom području ponašanja. To se postiže primenom posebnih elemenata za izolaciju i apsorpciju energije i elemenata za kontrolu vibracija, koji se ugraĎuju u samu konstrukciju. Ovi elementi najčešće se nalaze izmeĎu fundiranja i samog objekta u posebnim prostorijama, požarnim sektorima gde su zaštićeni od dejstva požara. Ako se izolacija nalazi unutar korisnog dela zgrade tj. nije u posebnom požarnom sektoru, mora se zaštititi od požara. To važi i za izolacije velik e, masovne instalacije unutar požarnog sektora jer svaka seizmička izolacija sadrži materije ili elemente koji su osetljivi na požar. Kr itične temperature elemenata su sledeće: za čelične konstrukcije: 350-700 ºC, za plastične elemente: za termoplastične 70-90 ºC, za termoreaktivne 250-300 ºC za gumene elemente: 300 ºC
Vatrootporni malter na čeličnu konstrukciju, a izolacija izložen a prema dejstvu požara (izvor: jamstec.go.jp)
Postoji tri rešenja za zaštita seizmičk e izolacije: sama seizmička izolacija otporna na požar postavljanje siezmičk e izolacije u posebni požarni sektor sprinkler instalacija
zaštita pomoću vatrootporne ispune (naravno tako da ne utiče na performanse izolacije)
15
presek zaštita seizmičke izolacije (izvor: Promat)
oblaganje seizmičk e izolacije (izvor: dis-inc.com)
zaštita seizmičke izolacije pomoću sprinklera ( Utah State Capitol, USA)
16
8. Mašinske instalacije i elektriĉne instalacije U slučaju zemljotresa mašinske i elektrotehničke istalacije mogu da se oštete na sledeći način: slom cevovoda, naročito kod probijanja krutih konstrukcija koji može da prouzorkuje isticanje gasa ili izlivanje tečnosti (voda za spr inler instalaciju, zapal jive tečnosti, vruće tečnosti) ošteta lakog zida od strane cevovoda usled nepravilnog probijanja pomeranja, pada instalacija
oštećenja lakog zida usled nepravilnog voĎenja cevovoda (izvor: FEMA E-74)
Način zaštite instalacija od dejstva zemljotresa: elastično voĎenje cevovoda pravilno odreĎivanja površine otvora (vatrootpornim ispunom kod požarnog zida) kod metalnih cevovoda elastični spoj kod ulaza - izlaza kroz zid sigurnosni ventili, koji zatvara cevovod u slučaju zemljotresa ukrućivanje mašinske i električne instalacije
Elastično voĎenje cevovoda:
fleksibilne spojnice, vatrootporne manšete (izvor: FEMA E-74)
oštećenje sprinkler instalacije (Photo courtesy of Cynthia Perry, BFP Engineers)
17
probijanje visećeg plafona - elast ični spoj izmeĎu m laznica i cevi sprinkler instalacije (izvor: Flexhead)
pad električne instalacije usled dejstva zemljotresa od 7,4 magnituda (Turska 1999)
ventil za automatska zatvaranja cevovoda (Seismic Shut-Off Valave)
18
9. Literatura 1) FEMA E-74 Reducing the Risks of Nonstructural Earthqake Damage – A Practical Guide. Federal Emergency Management Agency, 4th edition, January 2011. 2) Takács Lajos Gábor: Tűzszakaszok kialakítása és térbeli elválasztása. PhD értekezés, BME Épí-tészmérnöki Kar, 2010. fe bruár 19. 3) EN 1998-1: 2004. Eurocode 8. Design of structures for earthquake resistance. Part 1. General rules, seismic actions and rules for buildings 4) Do earthquakes damage fire protection walls? Peter Collier, BUILD February/March, 2008, pp. 84-85. 5) Critical earthquake risk detailing in New Zealand’s multi storey building stock: understanding and improving current perception (H.A. Schofield, J.M. Pampanin).www.retrofitsolutions.org.nz/pdfs/NZSEE2006%20Schofield.pdf) 6) Michael JAMES, Andy BUCHANAN: Fire Resistance Of Seismic Joints 7) Pravilnik o tehničkim normativima za izgradnju objekata visokogradnje u seizmičkim područjima 8) www.vedelem.hu 9) www.promat.com 10) www.langlovagok.hu 11) www.dis-inc.com 12) www.intumex.com 13) www.knauf.com 14) www.ytong.com
19
