Měření poměrných deformací při požární zkoušce v Mokrsku Shrnutí Příspěvek shrnuje cíle požární zkoušky na skutečném objektu. V práci je ukázáno zvolené konstrukční řešení, mechanické a požární zatížení a některé hlavní změřené hodnoty teplot plynu a konstrukce. Podrobně je probráno vyhodnocení poměrných deformací z měření tenzometry pro vysoké teploty. Úvod Požární zkouška, která se pod vedením pracovníků katedry ocelových a dřevěných konstrukcí fakulty stavební ČVUT v Praze uskutečnila 18. září 2008 v Mokrsku v okrese Příbram, byla zaměřena na zpřesnění popisu chování prvků a spojů v konstrukci při požáru, viz obr. 1. Při požáru byly měřeny teploty, celkové i poměrné deformace, tlaky par, vlhkost, sálání z konstrukce na konstrukci uvnitř požárního úseku i na ocelovou konstrukci vně před okenním otvorem, prostup teploty a plynů pláštěm a klimatické podmínky při zkoušce. Podrobnosti lze nalézt na webové stránce projektu [1]. Chování bylo zdokumentováno fotografiemi, videozáznamy a záznamy z termokamer. Pro zkoušku byl v areálu výukového střediska ČVUT Štola Josef postaven nový objekt, který zohledňoval předpokládaný vývoj stavebních technologií. Zkouška tematicky navázala na deset velkých požárních experimentů, které se uskutečnily na skutečných budovách s ocelovou, betonovou a dřevěnou nosnou konstrukcí v Cardingtonu ve Velké Británii v letech 1998 až 2003, viz [2] a [3]. Zkušební objekt představoval část jednoho podlaží administrativní budovy o rozměrech 18 x 12 m, obr. 2. Ocelobetonová deska nad prolamovanými nosníky byla navržena na rozpětí 9 x 12 m a nad nosníky s vlnitou stojinou na rozpětí 9 x 6 m, viz obr. 3. Dvě obvodové stěny byly tvořeny skládanými plášti s nosnými kazetami, minerální vlnou a vnějšími trapézovými plechy. Ve dvou 6 m polích bylo porovnáno chování dvou systémů skládaného pláště s nosným meziroštem a vodorovným plechem a svislým vnějším plechem bez roštu. Na dvě stěny byly navrženy sendvičové panely tloušťky 150 mm vyplněné minerální vlnou. Na jedné stěně byly panely uloženy ve vodorovném a na druhé ve svislém směru. Na části betonové stěny byla zevnitř přizděna stěna ze sádrových tvárnic.
Obr. 1 Pohled na požární zkoušku
A
9 000 Okenní otvor
N 3
AS7 Ocelobetonová AS6 deska
6 000
2
AS5 AS4
B
Ocelobetonová CS4 CS3 deska Nosníky s vlnitou stojinouCS2
Prolamované nosníky
CS1 S5
AS3
Skládaný plášť 6 000
AS2
S4 Duté předepnuté S3 panely S2
AS1
1
Sendvičové panely +4,0
+0,0
Ocelobetonová deska Prolamované nosníky
C
9 000 Okenní otvor
S1 Betonová stěna Ocelobetonová deska Nosníky s vlnitou stojinou
Obr. 2 Schéma konstrukce pro požární zkoušku na experimentálním objektu s označením nosníků
Obr. 3 Z výstavby zkušebního objektu a jejím ostrojení termočlánky Mechanické zatížení Mechanické zatížení bylo navrženo pro běžnou administrativní budovu, ve které se proměnné zatížení pohybuje v rozmezí 2,5 až 3,5 kN/m2. Vlastní tíha zkoušené ocelobetonové konstrukce dosáhla 2,6 kN/m2. Při zkoušce bylo proměnné zatížení vyvozeno 78 pytli se štěrkem, každý o průměrné hmotnosti 900 kg, v rozmezí 793 kg až 1087 kg, viz obr. 4. Pytle byly umístěny na stropní desce na paletách. Hmotnost pytlů byla ověřena vážením kalibrovaným tenzometrickým můstkem při jejich ukládání. Pytle byly ve skupinách rozloženy tak, aby se dosáhlo rovnoměrného zatížení. Při mezním stavu na mezi únosnosti za
běžné teploty by zatížení odpovídalo proměnnému zatížení 3,0 kN/m2 a zatížení podlahami a příčkami 1,0 kN/m2 v charakteristických hodnotách, viz obr 5.
Obr. 4 Mechanické zatížení na zkušením objektu B A N 9 000 9 000
C C
3
6 000
9.44 9.64 9.15
9.58 9.67 9.27
9.98
8.98 10.37 8.87
8.67 10.87 8.57
9.55 9.66 9.18
9.32 9.64 9.21
9.84
9.32 9.72 8.58
9.37 10.48 7.95
9.47 9.66 9.37
8.53 10.26 8.75
9.67
8.93 9.30 9.05
8.45 10.15 8.73
9.47 9.76 9.42
8.95 10.26 8.95
9.30
2 6 000
9.36 9.70
9.26 9.65 9.45 8.72
8.95 9.97 9.25
9.06
9.50
1
8.36 9.55 9.22
8.57
8.55
9.70
8.82
9.00
8.10
9.39
9.37 9.35 10.43 8.24
7.93
10.15
9.36 8.73
10.03 9.78
9.19
+4,00
+0,00
Obr. 5 Mechanické zatížení pytli se štěrkem s označením jejich hmotnosti Požární zatížení Požární zatížení administrativní budovy se pro požární zkoušky konstrukcí simuluje nehoblovanými latěmi rozměrů 50 x 50 x 1000 mm z měkkého dřeva. Na půdorysné ploše požárního úseku bylo rovnoměrně rozmístěno 50 hranic o objemu dřevní hmoty 15 m3. Každá hranice obsahovala 12 řad po 10 latích, celkem 120 latí, tj. asi 35,5 kg/m2 dřeva, viz obr. 6 a 7. Při návrhu administrativní budovy se uvažuje s charakteristickou hodnotou požárního zatížení 420 MJ/m2. Navržené množství paliva tak přesáhlo o asi 50 % charakteristické požární zatížení. Ve třetí vrstvě latí byly dřevěné hranice vzájemně provázány tenkostěnným profilem tvaru U, který byl pro rychlé rozhoření paliva při zapálení vyplněn minerální vlnou a napuštěn petrolejem. Při dosažení teploty plynu 50 °C označil velitel zkoušky akusticky její
počátek. Okenní otvory bez skleněné výplně velikosti, která odpovídá moderní podlažní budově, zajistily ventilaci požárního úseku. Parapet byl navržen výšky 1 m a okna výšky 2,54 m s celkovou délkou 8,00 m s koeficientem otvorů O = 0,064 m1/2. A
N
9 000
B
9 000
C
3
6 000
2 6 000
1 Hranice smrkových hranolů 50x50-1000 +4,00 Okenní otvor
Okenní otvor
+0,00
Obr. 6 Požární zatížení hranicemi hranolů 50x50x-1000
Obr. 7 Požární zatížení vyvozovalo 15 m3 hranolů z měkkého řeziva Teploty plynu Teplota plynu byla měřena plášťovými termočlánky o průměru 3 mm, které byly osazeny v úrovni dolních pásnic prolamovaných nosníků ve vzdálenosti 500 mm od stropní desky. Na obr. 9 je graf změřených hodnot teploty plynů a jejich průměrná teplota. Nejvyšší teplota plynu pod prolamovanými nosníky dosáhla 926°C v 52. Minutě. Z obrázků je patrné, že nejvyšší teploty byly naměřeny uprostřed požárního úseku, tj. na termočláncích TG04, TG05, TG08 a TG09. Pro využití výsledků zkoušky pro zpřesnění pokročilých výpočtových modelů byla měřena i hustota toku tepla. V úrovni dolní pásnice nosníku AS2 byly ve středu pole a u
styčníku ve směru od pásnice osazeny terčové radiometry. Měření zajišťovali kolegové TUPO Praha pod vedením ing. Dvořáka. Obr. 10 dokumentuje výrazný rozdíl v ostávání středu a konce nosníku i velký podíl odražené složky sálání na konstrukci. Teplota, °C
1100
TG08
TG09
1000
TG10
900
TG09
800
TG08
700
TG07
TG10 Průměr z
600
TG07,TG08,TG09,TG10
500 400 TG07
300 200 100 0
0
15
30
45
60
75
Čas, min
Obr. 9 Změřená teplota plynů při požární zkoušce pod stropní konstrukcí s prolamovanými nosníky 2
Hustota tepelného toku, kW/m
120 110 100
Q3
90 80
Q1 Q2
Q4
70
Q3 Q4
60 50
Q1
40 30 20
Q2
10 0 0
15
30
45
60
75 Čas, min
Obr. 10 Hustota toku tepla naměřená pomocí radiometru pod prolamovanými nosníky v zadní části požárního úseku, měření ing. Dvořák, TUPO Praha Teploty nosníků Nechráněné prolamované nosníky dosáhly ve 23. min asi 480 °C při průhybu 135 mm, viz obr. 11. Jejich únosnost se začala redukovat, průhyb dosáhl 135 mm. Ve 34. min požáru měly nosníky již teplotu 770 °C, které odpovídá únosnost asi 10 % únosnosti za běžné teploty a průhyb 378 mm. K porušení ocelobetonové desky došlo v 62. min požáru na počátku fáze
chladnutí při změřené teplotě nosníků 895 °C. V té době byla deska namáhána na asi 167 % únosnosti stanovené podle zjednodušeného návrhového modelu pro dané mechanické a požární zatížení na 3,49 kN/m2. Při požární zkoušce se velmi výrazně projevilo otryskávaní betonové stěny, viz obr. 12. Po zkoušce dosáhl úbytek stěny 65 mm, viz obr. 13. Teploty dolních pásnic nosníků, °C 1000 AS6 800 TCi
AS2
600
AS5
400 200
N
AS4
AS6 AS5 AS4 AS2
0 0
15
30
45
Čas, min
Obr. 11 Teplota dolních pásnic ve středu prolamovaných nosníků AS2 až AS6
Obr. 12 Otryskávaní betonové stěny při požáru
Obr. 13 Stěny a sloup s odhalenou výztuží Napětí v nosnících Ocelové požárně nechráněné spřažené prolamované nosníky a požárně nechráněné spřažené nosníky s vlnitou stojinou byly osazeny tenzometry do vysokých teplot. Byly použity sendvičové tenzometry se dvěma keramickými plášťovými vrstvami, které umožňují vyhodnocovat poměrná přetvoření do 1150 °C. Vrstvy se nanášejí přímo na očištěnou konstrukci a před zkouškou trvala příprava měření čtrnáct dní. Na nosnících s vlnitou stojnou byly po výšce nosníku umístěny tři tenzometry pro měření smykových napětí. Ze změřených poměrných deformací se napětí za zvýšené teplotě σθ stanoví z předpokladu známé změny
modulu pružnosti oceli při teplotě Ea,θ = kEθ E pro teploty, které byly změřeny termočlánky poblíž tenzometrů, ze vztahu σθ = min (kE,θ E εθ; ky,θ fy) (1) kde kE,θ je součinitel redukce modulu pružnosti, viz [4], E modul pružnosti oceli za běžné teploty ky,θ redukční součinitel meze kluzu a fy mez kluzu oceli za běžné teploty. Dva tenzometry byly instalovány na stojině prolamovaného nosníku, viz obr. 14. Vyhodnocení pro rozvoje napjatosti při zatěžování nosníku na obr. 15 ukazuje, že plastifikace stěny prolamovaného nosníku u podpory bylo dosaženo v osmé minutě zkoušky. Postup vyhodnocení je doložen v Tab. 1. Stojina nosníku s vlnitou stojinou se plastizovala v patnácté minutě experimentu, viz obr. 16. Obr. 17 dokumentuje, že k plastifikaci vlnité stojiny došlo po celou dobu její vystavení požáru. Jak se vidět i na nosníku po požární zkoušce.
Obr. 14 Umístění tenzometrů a termočlánků na stojině prolamovaného nosníku Napětí, MPa
300
Poměrná mez kluzu
200 100
Čas, min
15
-100
30
45
TC46
65
SG6 SG5
165
0 0
165
TC48 130
60
Tenzometr SG6 Tenzometr SG5
-200
Poměrná mez kluzu -300 -400
Obr. 15 Průběh napětí na stojině prolamovaného nosníku Tab. 1 Vyhodnocení napětí z měření poměrných deformací na stojině prolamovaného nosníku Termočlánek TC48
Tenzometr SG5
Termočlánek TC46
Tenzometr SG6
Čas
Teplota
Protažení
Eθ
Napětí
Teplota
Protažení
Eθ
Napětí
min
°C
µε 10-3
MPa
MPa
°C
µε 10-3
MPa
MPa
0
12
0,000
210000
0
11
0,000
210000
0
5
35
-0,090
210000
-19
31
-0,550
210000
-115
10
114
-4,687
207165
-355
108
-9,045
208341
-355
15
215
-0,045
185892
-8
214
0,276
186123
51
20
310
1,602
165816
266
310
-0,099
165942
-16
25
470
1,310
132342
173
453
1,244
135786
169
30
595
1,061
68206
72
561
1,546
88729
137
35
685
32,000
33046
95
633
1,863
52588
98
40
755
32,000
22646
58
687
1,995
32327
64
45
-
-
-
-
730
1,741
24814
43
50
-
-
-
-
783
0,807
20320
16
55
-
-
-
-
769
0,416
21546
9
60
-
-
-
-
759
0,688
22386
15
Poměrná mez kluzu
Napětí, MPa
Tenzometr SG2
250 200
Tenzometr SG3
45
150
205
100
Čas, min
50
205
0
45
-50
15
0
30
45
60
-100 -150
Tenzometr SG1
-200 -250 Poměrná mez kluzu
Obr. 16 Průběh napětí na stojině nosníku s vlnitou stojinou
Obr. 18 Stojina prolamovaného nosníku po zkoušce Shrnutí
60
SG1
TC84
SG2 SG3
TC82
120
TC81
Porušení stropu experimentálního objektu nastalo plánovaným prolomením ocelobetonové desky v pravém zadním rohu po ztrátě její únosnosti v tlaku v 62. min experimentu, viz obr. 19. Pro dosažení porušení bylo při návrhu experimentu zvoleno vyšší mechanické zatížení, asi 160 % zatížení běžné administrativní budovy, a požární zatížení, asi 150 % zatížení předpokládané pro administrativní budovy. Přesto autory zkoušky překvapila přesnost předpovědi, kdy výpočtem stanovená požární odolnost ocelobetonové desky pro toto zatížení, 60 min, byla překročena pouze o 1 min.
Obr. 19 Pohled na konstrukci po porušení ocelobetonové desky Požární zkouška prokázala, že chování konstrukce vystavené požáru jako celku lze vhodným návrhem využít a zvýšit požární spolehlivost i ekonomii řešení. Podařilo se prokázat požární odolnost použitých konstrukčních částí a pláště R60. Na vyhodnocení jednotlivých poznatků se pracuje. Po jejich ověření experimenty s dílčími prvky a rozšíření jejich platnosti numerickou simulací umožní výsledky přípravu podkladů pro evropské návrhové normy mj. v oblasti chování ocelobetonové desky, chování styčníků a plášťů budov při vystavení zvýšeným teplotám při požáru. Oznámení Tato práce byla vypracována s podporou výzkumného centra MŠMT CIDEAS č. 1M0579 a grantem Metoda komponent pro navrhování styčníků za zvýšené teploty GAČR103-07-1142. V článku byly použity fotografie Khalila Baalbaki z Českého rozhlasu Online.
Literatura [1] Kallerová P. a Wald F., Výzkumná zpráva z požární zkoušky na experimentálním objektu v Mokrsku, ČVUT v Praze, http://fire.fsv.cvut.cz/firetest_Mokrsko. [2] Wald, F., Simões da Silva, L., Moore, D.B., Lennon, T., Chladná, M., Santiago, A., Beneš, M. and Borges, L., Experimental behaviour of a steel structure under natural fire”, Fire Safety Journal 2006, Volume 41, Issue 7, s. 509-522. [3] Kirby, B. R. et al., Natural fires in large scale fire compartments, BST, FRS, 1994. [4] Wald F. a kol., Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT, Praha 2005, 336 s., ISBN 80-01-03157-8. František Wald, Petra Kallerová, Michal Strejček ČVUT v Praze
