Betonové konstrukce - požární návrh
Prof. Ing. Jaroslav Procházka ČVUT Fsv Praha – katedra betonových konstrukcí
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 - začátek porušování kameniva - nejdříve se začíná porušovat 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
Vliv zvýšené teploty konstrukce • Změna materiálových vlastností: - mechanických (změna pevnosti v závislosti na teplotě), - fyzikálních (změna teplotní roztažnosti, specifického tepla, teplotní vodivosti) • Změna statického působení konstrukce
Experimenty • • • • •
Omezeny většinou na prvky Nejméně konzervativní, nejpřesnější měření Poměrné nákladné Platné pouze pro zkoušené prvky Nemohou zajistit spolehlivost celé konstrukce, tu lze zajistit pouze výpočtem a správným návrhem
Zkouška požární odolnosti stropního panelu
Zkouška požární odolnosti panelu TT
Zkouška požární odolnosti sloupu
Zkouška požární odolnosti stěny
Ukončení zkoušky požární odolnosti stěny
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
Teplotní analýza požárního úseku • Etapy hoření: iniciace, rozvoj, vzplanutí, rozvinutí požáru, ochlazování • Požár s přístupem kyslíku (požár řízený palivem), s omezeným přístupem kyslíku (požár řízený ventilací) • Nejvěrnější teplotní analýza – vychází ze skutečného požáru a popisuje průběh teploty v daném požárním úseku v čase v závislosti na poloze prvku, hustotě požárního zatížení a ventilačních okrajových podmínkách.
• Teplotní analýza podle důležitosti navrhované konstrukce využívá: 1) Metody vycházející z nominální teplotní křivky – nejjednodušší a málo přesné řešení, neuvažuje se fáze ochlazování. 2) Metody založené na parametrických křivkách využívají fyzikálních parametrů a analytický popis průběhu teploty
Ověření spolehlivosti vzhledem k odolnosti konstrukce při požáru • Podle času tfi,d ≥ tfi,req tfi,d normová požární odolnost [min], tj. doba po kterou je konstrukce (popř. její část nebo prvek) schopna plnit nosnou funkci tfi,req požadovaná požární odolnost [min], např. R 30
• Podle únosnosti Rfi,d ≥ Efi,d Rfi,d návrhová únosnost při zvýšených teplotách (při požáru) Efi,d návrhový účinek zatížení při požární situaci • Podle teploty kritická teplota ≥ teplota prvku
Výpočet odolnosti konstrukce výpočtem • Teplotní analýza požárního úseku – teplotní křivky - EN 1991-1-2 • Zatížení v závislosti na teplotní křivce - EN 1991-1-2 • Analýza přestupu tepla do konstrukce EN 1991-1-2 – teplotní odezva • Posouzení konstrukce EN 199X-1-2 – mechanická odezva
EN 1992-1-2: 2004 • 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 (únosnost) • „E“ - požárně dělící funkce (celistvost) • „I“ - tepelně izolační funkce (radiace)
Zatížení při požáru h fi =0,7 Ed,fi = h fi Ed Vlastnosti materiálů – mechanické
Xd,fi = kq Xk / γM,fi
– teplotní
Xd,fi = Xk,q / γM,fi ;
γ M,fi = 1,0 součinitel spolehlivosti
Spolehlivost Ed,fi ≤ Rd,fi
Mechanické vlastnosti Beton v tlaku - pracovní diagram Napětí, σ , MPa
fc, θ
Přetvoření
εc1, θ
ε cu1, θ ε
Beton - redukční součinitel pro snížení fck fck,θ = kc, θ .fck 1
k c, θ
Normální beton s vápencovým kamenivem 0,8 0,6
0,4
Normální beton se silikátovým kamenivem
0,2 0
θ, ° C 0
200
400
600
800
1000
1200
fctk,θ = kct,θ .fctk kc,t,θ 1 0,8 0,6 0,4 0,2
Teplota, θ , °C
0 0
100
200
300
400
500
600
Mechanické vlastnosti Výztuž - pracovní diagram Napětí, σ , MPa fsy,θ f sp, θ
α
E a,θ
εsp,θ
Přetvoření
εsy,θ
εst,θ
εsu,θ ε
Beton - redukční součinitel pro snížení fctk,θ Výztuž - redukční součinitel pro snížení fyk 1
k s,θ
0,8
Tlačená výztuž a tažená výztuž (válcovaná za tepla i tvarovaná za studena) při εs,fi < 2%
0,6
0,4
Tažená výztuž (válcovaná za studena) při ε s,fi ≥ 2%
0,2 0
Tažená výztuž (válcovaná za studena) při ε s,fi ≥ 2%
θ, °C 0
200
400
600
800
1000
1200
Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní roztažnost ( ∆ l / l )c . 10
Teplotní roztažnost betonu
3
16 14
Silikátové kamenivo
12 10 8 6
Vápencové kamenivo
4 2 0
θ a ,°C 0
200
400
600
800
1000
1200
Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - specifické teplo Měrné teplo betonu, 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
c p, θ , J kg -1K
-1
u=3% u = 1,5 %
u=0%
0
200
400
600
800
Teplota,
θ a ,°C
Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní vodivost 2
λc W m -1 K -1
1,8 1,6 1,4
Spodní mez
1,2 1 0,8 0,6
Horní mez
0,4
θa ,°C
0,2 0 0
200
400
600
800
1000
1200
Teplotní a fyzikální vlastnosti Výztuž - teplotní roztažnost 18
( ∆ l / l )c . 10
3
16 14
Betonářská výztuž
12 10 8
Předpínací výztuž
6 4
θ a ,°C
2 0 0
200
400
600
800
1000
1200
Návrhové metody • Návrh podle tabulek – tabulky pro kategorie prvků
• Zjednodušené metody únosnost průřezů: - metoda izotermy 500° - zónová metoda
• Obecná metoda – analýza reálného chování za požáru
Návrh podle tabulek h ≥b a
1
b a
a sd b
a1 , a 2 , a
45
3
2
3
a4, a 7
6 7
a5 , a 6 a3
a1 a5
a6
• „E“, „I“ splněny dodržením min. tloušťky prvku • „R“ dodržet osovou vzdálenost výztuže a (obr.) a bmin • dodržet konstrukční zásady • bez dalšího ověřování na smyk, kroucení, kotvení
Trámy Definice rozměrů pro různé průřezy trámů bw
b
b
Konstantní šířka
d2
b
Proměnná šířka A
d1 deff
I průřez
B C bw deff
deff A
B
A-A
B-B
Pomyslný příčný průřez C nosníku I průřezu
Desky Tloušťka desky Podlaha (nehořlavá) Betonová deska
Podlaha (nehořlavá)
h2
h2
Zvuková izolace, (případně hořlavá)
h1
h1
Betonová deska
h = h1 + h2
Výztuž nad podporou
A
A Směr rozpětí
Rozsah systému bez příčných stěn nebo trámů
Nebezpečí křehkého porušení Není zabráněno pootočení Není zabráněno pootočení Řez A - A
Tabulky Uvažují kritickou teplotu betonářské výztuže 500°C U tažených a jednoduše podporovaných prvků, u kterých je kritická teplota jiná než 500°C, lze upravit osové vzdálenosti vložek od povrchu: Redukční součinitele - stanoví se
σ s,fi
E d,fi f yk ( 20°C ) As,req = ⋅ ⋅ Ed γs As,prov
- určí se ks,θ,cr = σs,fi / fyk (20° C)
1
k s,θ ,cr , k p, θ ,cr
Betonářská výztuž (EN 10080)
0,8
Předpínací výztuž (pruty EN 10138-4)
0,6 0,4
Předpínací výztuž (dráty a lana EN 10138-2 a -3)
0,2
θcr °C
- stanoví se kritická teplota z grafu
0
- zmenší se hodnota a z tabulek o
∆a = 0 ,1 ⋅ ( 500 − θ cr )
0
200
400
600
800
Kritická teplota
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 tloušťky 200 mm R60 – R240 θ, ° C
1200 1100 1000 900 800 700 600
R240
500
R180
400 300
R60
R30
200
R120 R90
Vzdálenost od exponovaného povrchu x, mm
100 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300
Teplotní profil pro trám 600 x 300 mm R60
280 260 240 220 200 180 160 140 120
100
100 80
200
300 400 500 40 600 700 20 800 900 0 0 20 40 60 60
R60
80
100 120 140
Teplotní profil pro sloup průměru 300 mm - R60 140 120 800 700 600 500 400
100 80
300 200
60 40
100
20 0 0
20
40
60
80
100
120
140
Metoda izotermy 500° C 500 °C
T
500 °C
h fi d
d fi = d
d fi
T
bfi b
C bfi b
C – tlačená zóna T - tažená zóna 1) Stanovíme izotermu 500° a dfi, hfi 2) Určíme teplotu tažené a tlačené výztuže 3) Určíme redukované pevnosti výztuže
bfi b
h
Oboustranně vyztužený průřez η fcd,fi,20
x
λx
A´s
λ b fi h f cd,fi,20
bfi
MRd,fi = Mu1+ Mu2 Podmínka spolehlivosti
z´
z M u1
z´ dfi As
F s = A s2 f scd,fi, θ ,m
A s1 fsd,fi, θ
As1 = As – A´s
( fcd,fi,20 = fck / γc,fi ) MRd,fi ≥ MEd,fi
F s = A s2 f sd,fi, θ
As2 = A´s
M u2
Zónová metoda (pouze pro normovou teplotní křivku)
M1 k c,θ ,m1
k c,θ ,m1
k c,θ ,m1 w2
a z1 w1
a z1 w1
a z1 a z1 w1
w1
a z1
Redukované průřezy
a z2
Postup: • průřez se rozdělí na zóny • ve středu každé zóny se stanoví teplota θi • pro každou zónu se určí redukční součinitel kc(θi) • stanoví se střední hodnota redukčního součinitele kcm • stanoví se tloušťka az požárem poškozené části průřezu • stanoví se redukované pevnosti a provede se výpočet mezní únosnosti redukovaného průřezu
M
kc ,θ,m
kc ,θ,3 kc,θ
kc,θ,2
kc,θ,1 w
w
Rozdělení stěny, vystavené požáru z obou stran, na zóny při výpočtu redukované pevnosti a tloušťky az teplotou poškozené části průřezu
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 vlastnosti závislé na teplotě
• Mechanická odezva - závislost mech. vlast. na teplotě • napětí a přetvoření od teploty • podmínky uložení a omezení deformacív
Odprýskávání nepravděpodobné pro vlhkost menší než 3% hmotnosti
Odpadávání betonu pozdější stádia požáru - krytí větší než 70 mm → síť
Vysokohodnotný beton (HSC) Doplňující ustanovení: Pevnost betonu : HSC rozděleny do třech tříd: 1. C 55/67, C 65/75, 2. C 75/80, C 80/95, 3. C 90/105 pro jednotlivé třídy a teploty betonu uvedeny fc,θ / fck
Odštěpení - C55/67 až C80/95 s obsahem křemičitého úletu < 6% hmotnosti cementu - pravidla pro normální beton - C55/67 až C80/95 s „k.ú.“>6% a C90/105 – provést: a) síť, b) zkouška, že nedochází k odštěpení, c) ochranná vrstva s průkazem, že nedochází k odštěpení d) polypropylénová vlákna – min. 2 kg/m3
Únosnost je třeba stanovit: -
zjednodušenou metodou obecnou metodou
Při výpočtu efektivního průřezu se redukovaná tloušťka a500 zvětší součinitelem k - HSC 1. třída k = 1,1 (posun z 500°C na 460°C) 2. třída k = 1,3 (posun z 500°C na 400°C) 3. třída – nutný přesnější postup Redukce momentu únosnosti Md,fi = M500 km km = 0,85 – 0,98 podle typu prvku, třídy betonu a vystavení požáru (z jedné nebo více stran)
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 20 mm 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
