Navrhování betonových konstrukcí na účinky požáru
Ing. Jaroslav Langer, PhD Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc.
Beton z požárního hlediska • Ohnivzdorný materiál: - nehořlavý - tepelně izolační • Skupenství: pevné, kapalné, plynné • Voda vázaná: chemicky, fyzikálně • Pórovitost, propustnost
Vliv teploty na beton • Nad 100°C: - klesá vlhkost betonu - dehydratuje cementový tmel - částice kameniva se rozpínají, vznikají v nich rozdílná teplotní přetvoření - v cementovém tmelu mikrotrhliny - rozdílné teplotní přetvoření na styku kameniva a cementového tmelu ⇒ beton se nerozpadá, povrchové částice odpadávají
Vliv teploty na beton • Nad 350°C: - dehydratace kameniva - kamenivo se začíná rozpadávat - nejdříve se rozpadá např. křemenný štěrk, později drcená žula apod. • Se stoupající teplotou - do 1200°C: - transformace materiálu (oddělování kalcium hydroxidu a kalcium karbonátu • Nad 1200°C: - tavení materiálu
Účinek požáru na beton • Odpadávání úlomků betonu od povrchu: příčina: tlak vodní páry v pórech Odštěpování více pravděpodobné u betonu s: - vyšší vlhkostí - menší propustností vodních par (vysokopevnostní betony – málo propustné) Opatření: syntetická vlákna, výztužné sítě · Pokles pevnosti - do 300° C konstrukčně nevýznamné, pak rychlý pokles · Beton – ochrana výztuže
Přístup k navrhování • Materiálově založený přístup - nedostatečný, důležitý i vliv zatížení a chování konstrukce • Přístup EN 1992-1-2: přihlíží k: - možnému zatížení při požáru - fyzikálním a teplotním vlastnostem betonu a oceli - chování prvků, popř. celé konstrukce
Zkouška požární odolnosti stropní desky
Zkouška požární odolnosti panelu TT
Zkouška požární odolnosti sloupu
Zkouška požární odolnosti stěny
Ukončení zkoušky požární odolnosti stěny
EN 1992-1-2 • platí pro konstrukce navržené podle EN 1992-1-1 • požární odolnost zajištěna pasivními prvky vlastní odolností konstrukce - zabránit předčasnému kolapsu, šíření požáru • neplatí pro předpjaté konstrukce s vnějšími kabely a skořepiny Návrh: • mimořádná návrhová situace • rozdíly nebo dodatky k návrhu za normální teploty
Požadavky • „R“ - mechanická odolnost • „E“ - požárně dělící funkce • „I“ - tepelně izolační funkce
Zatížení při požáru η fi =0,7 Ed,fi = η fi Ed Vlastnosti materiálů – mechanické
Xd,fi = kΘ Xk / γ M,fi
– teplotní
Xd,fi = Xk,Θ / γ M,fi ;
Spolehlivost Ed,fi < Rd,fi
γ M,fi = 1,0
Mechanické vlastnosti Beton v tlaku - pracovní diagram
Mechanické vlastnosti Beton v tahu - redukční součinitel
Mechanické vlastnosti Výztuž - pracovní diagram
Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní roztažnost
1 silikátové kamenivo 2 vápencové kamenivo
Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - specifické teplo
Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní vodivost
Teplotní a fyzikální vlastnosti Výztuž - teplotní roztažnost
1 betonářská výztuž 2 předpínací výztuž
Návrhové metody • Návrh podle tabulek – tabulky pro kategorie prvků
• Zjednodušené metody – únosnost průřezů: izoterma 500° – zónová metoda
• Obecná metoda – analýza reálného chování za požáru
Návrh podle tabulek
• „E“, „I“ splněny dodržením min. tloušťky prvku • „R“ dodržet osovou vzdálenost výztuže a (obr.) • dodržet konstrukční zásady • bez dalšího ověřování na smyk, kroucení, kotvení
Zjednodušené metody – mezní únosnost otepleného průřezu – namáhání M, N , M - N – rozložení teploty v konstrukci při požáru – zkoušky, teplotní profily, výpočet
• Metoda izotermy 500° – beton o teplotě >500° zanedbán
• Zónová metoda – dělení průřezu na zóny – vyloučení teplotou poškozeného betonu
Teplotní profil pro desku
Teplotní profil pro trám
Teplotní profil pro sloup
Metoda izotermy 500°
Oboustranně vyztužený průřez
Zónová metoda
Obecná metoda – reálný výpočet konstrukce vystavené požáru – použitý postup má být ověřen zkouškou 1:1 – modely:
• teplotní odezva - zatížení podle EN 1992-1-2 • teplotní a fyzikální vlast. závislé na T
• mechanická odezva - závislost mech. vlast. na T • napětí a přetvoření od T • podmínky uložení a omezení deformací
Odprýskávání nepravděpodobné pro vlhkost menší než 3% hmotnosti
Odpadávání betonu pozdější stádia požáru - krytí větší než 70 mm → síť
Vysokohodnotný beton – C55/67 až C80/95 s obsahem křemičitého úletu < 6% hmotnosti cementu - pravidla pro normální beton – C80/95 až C90/105 a C55/67 až C80/95 s „k.ú.“>6% ♦ provést alt. opatření: •síť, •test, •ochranu, •vlákna ♦ pro tabulkové údaje a zjednodušené metody přijmout dodatečné redukce posun izotermy 500° na 400°: - zvětšení osové vzdálenost pro sloupy, - mezního momentu pro trámy
Příklad - deska
q=5 kN/m2 g=7 kN/m2 Suché prostředí REI 90 As=1026 mm2 Asd=915 mm2
Tab.: EI 90 - h=100 mm < 200 mm – vyhoví R 90 - a=30 mm > 27 mm – nevyhoví závěr R90 není splněno
S ohledem na rezervu v ploše výztuže: 410*0,000915 σfi,s=0,7 =223 MPa 1,15*0,001026 ks(Θ)= 223 =0,54 410 Θcrit= 528°C
a´=a+∆a=30+0,1*(500-528)=27,2 > ad=27mm R90 není splněno
Zónová metoda
Křivka 90min: Θcrit= 510°C ks(Θ)=0,75
fyd,fi= 0,75*410 =307 MPa 1 fcd,fi= 1*25 =25 MPa 1 x=1,25*0,001026*307 / 25=0,016m MRD=0,001026*307000*(0,2-0,027-0,4*0,016)=52 kNm Md,fi=0,7*53=37 < MRD=52 kNm
R90 je splněno
Požární zkouška Cardington
Budova: - půdorysná plocha 6750 m2 - pole 7,5 m x 7,5 m - počet podlaží 7 - požární odolnost 60 min.
Požární zkouška - 1. podlaží - plocha požární sekce 225 m2 - stropní deska: tloušťka 250 mm, krytí 20mm beton
fc = 74 MPa
vlhkost 3,8 % hmotnosti zatížení nahoře 3,25 kN/m2 - sloup:0,4m x 0,4 m, 0,4 m x 0,25 m světlá výška 4250 mm krytí 40 mm beton
fc = 103 MPa
polyp. vlákna 2,7 kg/m3 vlhkost 4,2 % hmotnosti přitížení, aby os. síla N=925 kN
Před požárem - požární zatížení 40 kg/m2 ( 720 MJ/m2), podepření pro případ havárie - bez dotyku s deskou
Plně rozvinutý požár - po 10 min. odštěpování betonu ze spodního líce desky
Průběh teploty za požáru
Po požáru - rozsah odštěpení betonu
Sloup z vysokopevnostního betonu po požáru - beton s přísadou polypropylénových vláken 2,7 kg/m2 betonu
Tlakové membránové působení
Děkuji za pozornost
