Požární odolnost ocelobetonových stropů Jan Bednář, František Wald České vysoké učení technické v Praze Úvod Při sledování požárních zkoušek celých konstrukcí ve skutečném měřítku se zjistilo, že požární odolnost ocelobetonových desek je mnohem větší než se počítá v běžném požárním návrhu při posouzení konstrukce po prvcích, tj samostatně ocelobetonová desky, průvlaků a stropnic. Cílem příspěvku je popsat chování ocelobetonových stropních desek a zpřesnit požární návrh konstrukce. U ocelobetonových desek lze předpovědět chování během požáru pomocí analytického modelu založeného na teorii plastických lomových čar [1]. Na základě lomových čar byla vytvořena jednoduchá návrhová metoda pro kompozitní ocelobetonové desky. Metoda dovoluje využít chování celé konstrukce a ponechat některé prvky nechráněné. Metodu lze použít v případě, že je deska obousměrně vyztužena, po celém obvodu kloubově podepřena a s poměrem stran do 1:2. Příspěvek shrnuje nové poznatky v navrhování ocelových a ocelobetonových konstrukcí vystavených požáru. Jsou ukázány možnosti modelování částečně chráněných stropů patrových ocelobetonových budov jednoduchými návrhovými modely.
Obr. 1 Schéma plastických lomových čar v ocelobetonové desce stropu před jejím porušením za velkých deformací při požáru Analytický model Jednoduchá návrhová metoda počítá s membránovým působením desky. Při pokojové teplotě deska přenáší zatížení ohybovou tuhostí, ale při velkých průhybech, které nastanou při požáru, přenáší deska zatížení také pomocí vzniklé tahové membrány. Vodorovné tahové síly jsou zachyceny tlačeným prstencem v betonu, který je po obvodě desky, viz obr. 1. U membránového působení desek je důležitý vlastní průhyb konstrukce. V tomto směru je vliv požáru na konstrukci pozitivní, protože při požáru se deska deformuje nejen velikostí zatížením, ale i vlivem teplotního gradientu a zmenšením modulu pružnosti ocele. Tažená membrána začne působit až při průhybu 0,4 - 0,5 tloušťky desky, ale vliv na únosnost bude mít až při větším průhybu. Tento návrhový přístup zvýhodňuje ocelobetonové konstrukce, protože je není třeba požárně chránit.
Ověření na experimentech Model lze ověřit například na výsledcích experimentů za vysokých teplot uskutečněných na reálné konstrukci v Cardingtonu v letech 1995 až 2003 a projekty FRAKOF [3], Mokrsko a experimenty na Tongii University [2]. U projektu FRACOF byl testovaný vzorek velký 8,735 m x 6,66 m se dvěma vnitřními stropnicemi, které byly nechráněné, viz obr. 3. Deska byla navržena na požární odolnost 120 min. Strop byl, kromě vlastní hmotností, zatížen ještě 1,25 kN/m2, což představovalo stálé zatížení plus 5 kN/m2 nahodilé zatížení. K testu byly zkoušeny i jednotlivé materiály, jejichž zkoušky prokázaly, že mají větší pevnost než je jejich nominální hodnota. Zkouška posloužila i k ověření numerického modelu pomocí v počítačovém programu ANSYS. Numerický model se skládal jak z analýzy přenosu tepla, tak z analýzy konstrukce.
Obr. 2 Schéma ocelové konstrukce stropu s polohou termočlánků
Obr. 3 Průhyb nosníků a porušení betonové desky v tlaku při zkoušce
Obr. 4 Průběh teploty nechráněné stropnice zaznamenaný během experimentu Během testu byla teplota v peci kontrolována deskovými termočlánky v souladu s doporučeními EN1363-1, viz obr. 3. Tyto deskové termočlánky byly umístěny jen pod stropem a záznamy teplot z těchto čidel ukázaly, že teplota pece byla s dovolenými odchylkami podle normy. Měření teploty uprostřed nosníků bylo odečítáno na spodní pásnici, stojině a horní pásnici každého průřezu. Souhrn teplot zaznamenaných na nosníkách je uvedený na obr. 4. Nechráněné ocelové nosníky dosáhly maximální teploty 1040°C. Oproti tomu chráněné ocelové nosníky dosáhly maximální teploty 300°C; Tato teplota je nižší, než by byla očekávaná, kvůli menšímu vystavení tohoto prvku požáru umístěného na krajní části pece.
Obr. 5 Příčný průhyb na okraji stropu zaznamenaný během fáze ohřívání Výsledky testů ukazují únosnost kompozitní stropní desky navrhnuté v souladu s jednoduchou návrhovou metodou. Poznatky z výsledků testu se týkající požární odolnosti stropu. Deska s nechráněnými stropnicemi na rozpětí 8,375m splňuje kritérium únosnosti po dobu delší než 120 min. Kritéria celistvosti a izolace byla splněna po dobu delší než 105 min. Celý strop zůstal celistvý po celou dobu požáru navzdory porušení ocelové výztuže v betonové desce. Při testu se zjistilo, že je velmi důležité dbát na správné napojení výztuže. Popraskání betonu okolo sloupů bylo malé a nemělo vliv na celistvost a izolační schopnosti kompozitní desky. Průhyb stropu během prvních 20 min narostl velmi rychle a pak narůstal přibližně konstantní rychlostí. Průhyb závisí na redukci modulu pružnosti díky ohříváním nechráněných nosníků. Průhyb odpovídá ohřátí na více jak 700°C. Je zřejmé, že nosníky při takové teplotě nedokáží přenést zatížení a stropní deska v tomto případě přenáší větší část zatížení. Zatížení se přenáší díky membránovému působení viz obr.5, na kterém je znázorněn příčný posun desky. Příčný posun nastal vlivem tahovým membránovým silám uprostřed desky. Nárůst posunu okolo 105. min může lze vysvětlit porušením ocelové výztuže ve střední části stropu.
Testy prokázaly, že v případě, kdy strop vytvoří membránu, membránové působení ocelobetonového stropu s deskou vyztuženou ve dvou směrech se výrazně zvýší. U desek, které jsou podepřeny jenom v rozích, se membránové působení projeví málo, proto se obvodové nosníky požárně chrání. Při pokojové teplotě jsou ocelobetonové desky spojité. Při požáru má deska po okrajích velké natočení a lze předpokládat, že se výztuž v oblastech nad okrajovými nosníky přeruší. Proto se stropní deska počítá jako kloubově podepřená. Únosnost zvyšuje i požárně nechráněná stropnice, která v průběhu požáru únosnost ztrácí vlivem degradace jejích materiálových vlastností. Její vliv je v porovnání s ocelobetonovou deskou je menší, ale i obvykle asi 10 % zvýšení se projeví příznivě. Pro celkovou únosnost ocelobetonového stropu se únosnosti nosníků a desky sečtou. Porušení betonové desky záleží na jejím vyztužení, geometrii a hlavně na poloze a tažnosti výztuže. Při většině provedených zkoušek za požáru nastalo porušení desky přetržením výztuže. Ocelobetonové stropy s rozptýlenou výztuží Experimenty bylo prokázáno, že ocelobetonové desky se vlivem plechu na jejich spodním líci, který za běžné teploty působí jako výztuž a ztracené bednění, se za zvýšené teploty chovají jinak než desky betonové. Sálání z plechu a na betonovou část způsobuje jednosměrný transport nahoru a desky neotrýskávají. Při použití rozptýlené výztuže bylo při pilotním experimentu, viz [7], využito tažnosti drátkobetonu za běžných, viz obr. 6, i za zvýšených teplot, viz obr. 7.
Obr. 6 Pohled drátkobetonovou desku po zkoušce za běžné teploty s vyznačenými liniovými klouby a patrnou příčnou trhlinou
Obr. 7 Porušení desky při zkoušce za zvýšené teploty
Shrnutí Metodika návrhu patrových ocelobetonových budov, která vychází ze zkoušek na osmipodlažní budově v Cardintonu a na dalších objektech, např. na administrativní budově v Mokrsku [5], byla rozpracována a je využívána v praxi, viz [6]. Jednoduchý model byl experimentálně a numericky ověřen i v kontinentální části Evropy, viz obr. 4. Pro řešení je připraven program, který umožňuje ocelobetonový částečně chráněný strop navrhnout při modelování požáru podle nominální normové křivky až na požární odolnost R120 nebo využít modelu požáru podle nominální normové křivky. Česká verze programu se chystá na únor 2011, viz FRACOF+[8].
Oznámení Práce vznikla v rámci práce na grantu MŠMT č. P105/10/2159 Modely membránového působení stropních desek vystavených požáru. Literatura [1] Johanes, K.W., Ultimate strength of Reinforced Concreate slabs, International Association for Bridge and Structural Engineering. Final Report, Third Confress, Liege, September 1948. [2] Na-si Zhang, Guo-Qiang Li, A new method to analyze the membrane action of coposite floor slabs in fire condition, Proceeding of the Fifth International Conference on Structural in Fire, Sif 08, s. 560-571, 2008 [3] Fire Resistancence Assessment of Partially Protected Composite Floors, project RFCS FRACOF, Ingineering background, CTICM, Paris, s.75. [4] Štujberová M., Požiarna odolnosť spřáhnutých ocelobetonových stropných konstrukcií, dokt. práce, VŠTB, 2007. [5] Wald, F. a kol. 2010; Fire Test on an Administrative Building in Mokrsko, 1. ed. Praha: CTU Publishing House, 2010. 152 p. ISBN 978-80-01-04571-8. [6] SCI, 1992, Fire protection for structural steel in buildings. 2nd ed.revised. The Association of Specialist Fire Protection. Ascot: The Steel Construction Institute, 1992. [7] Bednář J., Výzkumná zpráva z experimentů projektu Modely membránového působení stropních desek vystavených požáru, ČVUT v Praze, 2010. [8] FRACOF+; URL: fire.fsv.cvut.cz/fracof/index.htm.
