Izhodišča
Moderni proizvodi, ki jih danes hranimo v stavbah ali jih vanje umeščamo kot del stavbnega ovoja in notranje opreme, vsebujejo naraščajoč delež dobro gorljivih materialov in zaradi svoje ekonomičnosti (enostavnost izdelave, cenovna dostopnost) vse bolj zamenjujejo težje gorljive proizvode iz tradicionalnih materialov, kot so keramika, jeklo in masiven les. Sočasno postaja vse masovnejša tudi raba elektronskih naprav, ki predstavljajo potencialni vir vžiga. Po drugi strani se namesto za tradicionalno betonsko ali zidano gradnjo objektov investitorji pogosteje odločajo za bolj ekonomično
montažno gradnjo, kar problem še poveča. Tako je npr. konstrukcija iz jeklenih montažnih elementov zaradi vitkih prerezov in dobre toplotne prevodnosti jekla pri požaru zelo deformabilna. V zvezi s tem se v zadnjih letih v požarni znanosti kot tudi v industriji največ pozornosti posveča proizvodno-skladiščnim jeklenim objektom, kjer se pogosto skladiščijo velike količine gorljivih materialov.
Predstavitev problema
V zvezi s požarno varnostjo proizvodno-skladiščnih jeklenih objektov predstavljajo največji izziv kriteriji uspešne evakuacije ter preprečitve porušitve nosilne konstrukcije, ki so ključnega pomena za zaščito življenj in lastnine. Pri analizi požarne odpornosti jeklene konstrukcije, ki se v EU zakonsko izvede skladno s standardoma EN 1991-1-2 in EN 1993-1-2, je danes v inženirski praksi še vedno uveljavljen t.i. predpisni način projektiranja. Ta se poslužuje semi-empirično podprtih tabel in preprostih računskih obrazcev. Dodatno se za analizo evakuacije uporabijo preprosti kriteriji iz drugih (običajno nacionalnih) smernic. Problem predpisnega projektiranja je v tem, da so takšni preprosti kriteriji odvisni le od nekaj parametrov problema (npr. vrste objekta, števila uporabnikov, splošnih geometrijskih in ventilacijskih pogojev požarnega prostora ter skupne kalorične vrednosti gorljivih snovi v njem …), so pa neodvisni od nekaterih pomembnih specifik (npr. toplotnih in kinetičnih parametrov gorljivih materialov, vgrajenih v objekt, specifik vgrajenih sistemov gašenja ...). Opisane omejitve vzbujajo skrb, da so v praksi že bile storjene kritične projektantske napake. Širjenje zavedanja o izpostavljeni problematiki ter razvoj naprednejših računskih postopkov, ki temeljijo na točnem matematičnem opisu problema (performanči pristop), se zdi zato nujna.
Cilj raziskave
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.
Računsko orodje FIRESIM, ki je bilo razvito za ta namen, je iz dveh modelov/faz. Prva faza (model FIRESIM-I) je namenjena naprednim CFD (ang. 'Computational Fluid dynamics') simulacijam razvoja in širjenja požara po izbranem proizvodno-skladiščnem objektu z jekleno konstrukcijo in je bila pripravljena z računalniškim programom FDS (ang. 'Fire Dynamics Simulator'), kot dodatek temu pa je bilo ločeno razvito tudi orodje GeneticMat. Slednje je namenjeno razvoju materialnih podmodelov, ki jih je potrebno razviti za vsak specifičen material posebej in so jedro modela FIRESIM-I, kamor jih vgradimo. Ta razvoj temelji na sistemu Arrhenius-ovih enačb toplotnega razpada snovi in Fourier-ovih enačb prevajanja toplote po snovi med njenim zgorevanjem, ki jih umerimo glede na rezultate materialnih eksperimentov TGA (ang. 'thermogravimetric analysis'), DSC (ang. 'differential scanning calorimatery'), bombne in konusne kalorimetrije. Na projektu so bili z orodjem GeneticMat pripravljeni: -podrobnejši materialni podmodel za izolacijske plošče iz ekstrudiranega polistirena (XPS) ter -poenostavljeni materialni podmodeli za avtomobilsko gumo, poliuretansko izolacijo (PUR) in skladovnice iz smrekovega lesa.
Druga faza orodja FIRESIM (model FIRESIM-II) se nadalje ukvarja z napovedovanjem odziva (deformacij) jeklene konstrukcije objekta zaradi požara, predvidenega v prvi fazi. V ta namen je bil z računalniškim programom ABAQUS FEA pripravljen model, kjer je celoten konstrukcijski sistem objekta modeliran s trodimenzijskimi volumskimi končnimi elementi. Vanj je bil vgrajen tudi materialni podmodel visokotemperaturnega odziva jekla, poimenovan FiStCreep, ki ga je s soavtorji razvila nosilka projekta. FiStCreep vključuje nove predloge za matematični opis visokotemperaturnega lezenja ter kinematično-izotropnega utrjevanja jekla zaradi obrata deformacij.
