Projekti / Programi
Požarno varno umeščanje gorljivih materialov v stavbe z jekleno okvirno nosilno konstrukcijo: Razvoj modelov in verifikacija z eksperimenti
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 7.00.00 |
Interdisciplinarne raziskave |
|
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.01 |
Tehniške in tehnološke vede |
Gradbeništvo |
požar, modeliranje, toplotni razpad materiala, piroliza, TGA, DSC, konusna kalorimetrija, jeklene konstrukcije, lezenje jekla, utrjevanje jekla
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
33293 |
dr. Jerneja Češarek Kolšek |
Gradbeništvo |
Vodja |
2016 - 2018 |
69 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
1502 |
Zavod za gradbeništvo Slovenije |
Ljubljana |
5866324000 |
10.455 |
Povzetek
Predlagani podoktorski projekt obravnava problematiko požarne varnosti v sodobnih proizvodno-skladiščnih objektih. Ker v te danes umeščamo vse večje količine lahko gorljivih materialov, graditi pa jih želimo hitro in z nizkimi stroški (pogosto s prefabriciranimi jeklenimi okvirnimi konstrukcijskimi sistemi, ki so pri visokih temperaturah bolj ranljivi), njihova požarna ogroženost vse bolj narašča. Izkušnje s terena opozarjajo, da temu tradicionalni predpisni postopki projektiranja požarne varnosti niso več dorasli, zato je potreben razvoj novih, naprednejših metod. Predlog takšnih bo pripravljen v okviru predlaganega projekta.
Računski modeli, ki bodo razviti za ta namen, bodo dvofazni. Prva faza bo namenjena naprednim CFD (ang. 'Computational Fluid dynamics') simulacijam razvoja in širjenja požara. Model za to fazo bo pripravljen v okolju FDS (ang. 'Fire Dynamics Simulator'), vanj pa bodo vgrajeni materialni modeli z ustreznimi kinetičnimi in toplotnimi parametri, ki jih bo za izbrane materiale (ti bodo predstavljali požarno obtežbo v objektu) razvila prijaviteljica. Ti materialni modeli bodo razviti z numeričnim prilagajanjem Arrhenius-ovih modelov toplotnega razpada snovi in Fourier-ovih modelov prevajanja toplote po snovi na rezultate materialnih eksperimentov TGA (ang. 'thermogravimetric analysis'), DSC (ang. 'differential scanning calorimatery'), bombne in konusne kalorimetrije. Druga faza modelov se bo nadalje ukvarjala z napovedovanjem odziva jeklene konstrukcije objekta zaradi požara predvidenega v prvi fazi. V ta namen bo v računskem programu ABAQUS FEA pripravljen model, kjer bo celoten konstrukcijski sistem modeliran s trodimenzijskimi volumskimi končnimi elementi. S pomočjo subrutine UMAT bodo vanj vgrajeni tudi posebni materialni modeli visokotemperaturnega odziva jekla, ki bodo prilagojeni potrebam projekta in pripravljeni v računskem okolju Fortran. Ti modeli bodo vključevali nove predloge za opis visokotemperaturnega lezenja jekla ter kinematično-izotropnega utrjevanja materiala zaradi obrata deformacij. Za numerično kalibracijo pripravljenega modela in odpravo konvergenčnih problemov, bodo izbrani ustrezni stabilizacijski algoritmi.
V drugem delu projekta bodo pripravljeni modeli za modeliranje širjenja požara in konstrukcijskega odziva tudi ustrezno validirani s pomočjo lastnih termoanalitskih in požarnih eksperimentov ter eksperimentalnih podatkov iz dostopne znanstvene literature.
V zadnjem delu projekta bodo razviti in validirani modeli uporabljeni za obsežne požarne študije izbranega poslovno-skladiščnega objekta, rezultati pa primerjani z rešitvami tradicionalnih inženirskih postopkov. To bo razkrilo prednosti naprednih metod in opozorilo na nevarnosti v praksi pogosto spregledanih omejitev poenostavljenih postopkov.
Pomen za razvoj znanosti
GLAVNI REZULTAT PROJEKTA, POMEMBEN ZA RAZVOJ ZNANOSTI IN STROKE: Da bo nivo trenutne inženirske prakse ustrezno nadgrajen in dorasel potrebam požarno bolj zahtevnih sodobnih stavb, bodo v prihodnje nujne objave, kjer se bodo rešitve performančnega projektiranja predstavile v celoti in na konkretnih praktičnih primerih ter postavile ob bok tradicionalnim rešitvam. Ravno te primerjave predstavljajo glavni končni rezultat projekta in so bile predstavljene v delih [1]-[5]. Zaključki so potrdili začetno hipotezo projekta, da so v določenih primerih poenostavljeni postopki, ki se v inženirski praksi zaradi pomanjkanja znanja oz. nerazumevanja omejitev teh postopkov uporabljajo skoraj brez izjeme, na nevarni strani. S tem v zvezi je avtorica v tuji [1-3] in domači literaturi [4-5] ter na mednarodnih in domačih dogodkih [9-10] javno objavila priporočila oz. pozive za boljšo opredelitev mej uporabnosti poenostavljenih postopkov. Zlasti tudi v luči nedavnih tragičnih dogodkov (npr. požar stolpnice Grenfell tower v Londonu v juniju 2017) se pomen rezultatov projekta za znanost in stroko ocenjuje kot zelo visoka. OSTALI REZULTATI, KI PREDSTAVLJAJO DOPRINOS K ZNANOSTI: • Modeliranje razvoja požara: Na projektu so bili razviti novi pirolizni in zgorevalni podmodeli za izbrane materiale/proizvode, in sicer za ekstrudirani polistiren (XPS)[1,4], v poenostavljeni obliki pa še za izolacijo iz poliuretanske pene (PUR) [6], avtomobilsko gumo [7] in skladovnice iz smrekovega lesa [8]. Modeli so primerni za vgradnjo v program FDS, ki velja za enega najbolj razširjenih numeričnih orodij za napredne analize požarov. Razvoj tovrstnih podmodelov bo v nadaljnjo koristno rabo drugim raziskovalcem in inženirjem, ki uporabljajo FDS. V procesu razvoja zgoraj omenjenih materialnih podmodelov je bilo sočasno odgovorjeno tudi na vprašanja: - Kakšna količina in razporeditev toplotnih pogojev TGA/DSC testov in konusne kalorimetrije je potrebna za določeno natančnost razvitih materialnih podmodelov kot tudi končnih simulacij razvoja požara? - Ali je za določanje kinetičnih parametrov materialnih podmodelov potreben natančnejši izračun z genetskimi algoritmi ali zadoščajo tudi poenostavljene analitične metode? - Dokazano je bilo tudi, da lahko dva na videz enakovredna vzorca, v osnovi pripravljena iz enakega materiala, pri gorenju izkazujeta povsem drugačno obnašanje. Iz tega razloga je jasno, da pri razvoju požarnih modelov (npr. pri pripravi simulacij preteklih požarov) zgolj splošen podatek o vrsti materiala ne zadošča, ampak so potrebni detajlnejši opisi. Do kako napačnih rešitev lahko pridemo sicer, smo na projektu pokazali v povezavi s preskušanim XPS. Ta je leta 2013 povzročil požar v podjetju FIBRAN, ko je zaradi statične elektrike zagorela ena od svežih plošč XPS na proizvodni liniji. Da do požara verjetno ne bi prišlo, če bi šlo za 'odležane' plošče, je bilo takrat jasno, saj je za sveže plošče (za razliko od 'odležanih') značilno, da tik po proizvodnji oddajajo večje količine lahko vnetljivega pentana, ki se uporablja pri proizvodnji. Tudi pri laboratorijskih testiranjih svežih in 'odležanih' vzorcev XPS smo dokazali, da bi nas uporaba rezultatov 'odležanih' vzorcev pripeljala do povsem napačnih rezultatov simulacije tega požara. Povzetki raziskav zgornjih vprašanj so bili opisani v delih [1] in [4]. Podrobnejši razčlenitvi pa bo namenjen eden od dveh člankov, ki ju še načrtujemo za revijo iz baze SCI 1. kategorije. • Modeliranje konstrukcijskega odziva: Dodatno so bili na projektu razviti tudi novi materialni podmodeli za vgradnjo v simulacije požarnega odziva jeklenih konstrukcijskih sistemov s programom Abaqus: - novi natančnejši materialni modeli za opis tridimenzionalnih napetostnih stanj v jeklu pri visokih temperaturah z upoštevanjem izotropno-kinematičnega utrjevanja in lezenja jekla [3,5] in - novi (oz. modificirani) modeli za izračun časovnega razvoja temperature jekla za požarno-zaščitnimi intumescentnimi premazi [2].
Pomen za razvoj Slovenije
• RAZVOJ SLOVENSKIH PODJETIJ: Z dvigovanjem zavedanja o omejitvah trenutnih poenostavljenih postopkov požarnega projektiranja preko domačih strokovnih in znanstvenih publikacij in dogodkov [4-7] je projekt pomemben predvsem za napredek slovenskih projektantskih podjetij. Projekt je pomemben tudi z vidika napredka razvoja materialnih podmodelov za simulacije razvoja požara. V prihodnosti bodo tovrstni modeli zagotovo uporabljani tudi v podjetjih, ki se ukvarjajo s proizvodnjo novih materialov, in sicer za napovedovanje požarnega tveganja v velikem merilu še pred proizvodnjo in požarnimi testiranji večjih preskušancev. To bo proces razvoja novega materiala/proizvoda bistveno pospešilo in znižalo stroške. • VZGOJA KADROV V SLOVENIJI: Poleg v člankih v mednarodnih znanstvenih revijah in na konferencah so bili rezultati projekta predstavljeni tudi v nacionalnih strokovnih revijah in dogodkih [4-7], zato je projekt pomembno pripomogel tudi k vzgoji kadrov v Sloveniji. Ker v Sloveniji dodiplomski študij požarne varnosti ne obstaja, ostajajo raziskave v smislu performančnih pristopov na področju požarne znanosti omejene na specializirane podiplomske študije in razpršene po fakultetah iz različnih znanstvenih področjih, ki jih sicer obsega požarno inženirstvo (gradbeništvo, kemija, strojništvo, arhitektura), ter po raziskovalnih inštitutih. Znanje in objave teh institucij v nacionalnih poljudno-znanstvenih in strokovnih revijah so tako ključnega pomena. K zviševanju razgledanosti bodočih inženirskih kadrov v Sloveniji je izvajalka projekta pripomogla tudi preko svojih predavanj v obsegu 36 ur, ki jih je v zimskem semestru šolskega leta 2017/2018 izvajala v sklopu predmeta IPMK (Izbrana poglavja iz masivnih konstrukcij) na magistrskem študijskem programu gradbeništva na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo v Ljubljani. Pomemben del teh predavanj je bil namenjen predstavitvi naprednih pristopov požarnega projektiranja in predstavitvi rezultatov projekta FIRESIM. • PROMOCIJA DRŽAVE: Na projektu je bila med drugim uporabljena tudi povsem nova raziskovalna oprema ZAG, t.j. konusni kalorimeter z analizatorji FTIR. Ta predstavlja ključno opremo performančnega požarnega inženirtsva in je prvi primer takšne opreme v Sloveniji. To daje projektu še posebno dodano vrednost in postavlja Slovenijo v konkurenčen položaj v širšem evropskem požarno-inženirskem prostoru. • DOSTOP DO TUJIH ZNANJ: Tekom projekta je vodja projekta aktivno sodelovala tudi v akciji COST Action FP1404: Fire safe use of bio-based building products, ki je predstavljala vir vzpostavitve pomembnih raziskovalnih navezav tako za potrebe predlaganega projekta kot za potrebe prihodnjega razvoja. • VAROVANJE OKOLJA: Požari v proizvodno-skladiščnih so lahko posebej nevarni tudi za okolje, kot se je to izkazalo npr. tudi ob nedavnem (maj, 2017) požaru podjetja Kemis na Vrhniki. Pri takšnih požarih se lahko zaradi gorenja večje količine skladiščenega materiala v zrak v kratkem času sprostijo ogromne količine nevarnih snovi, zaradi poškodb, ki jih v požaru utrpi proizvodna oprema, lahko pride do izlitja nevarnih snovi v okolje itd. Projekt se je ukvarjal z razvojem naprednih numeričnih modelov, ki lahko omogočajo tudi napovedovanje možnih tovrstnih posledic požarov in ustreznih pripadajočih varnostnih ukrepov. Na ta način je projekt pomemben tudi z vidika varovanja okolja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
