Částečně chráněný strop při požární zkoušce ve Veselí n. L.

• Foto

Během požáru objektu ztrácejí nechráněné ocelové prvky konstrukce tuhost a následně i únosnost. Tradičním řešením je požární ochrana, tj. tepelná izolace konstrukce, která zajistí, že se její prvky zahřejí na teploty, při kterých se ještě výrazně nezmění jejich materiálové vlastnosti. Řešení bývá finančně náročné, neoslovuje hlavní problematiku vzniku požáru a jeho účinnost je omezena. Při vhodném rozdělení do požárních úseků lze ponechat některé prvky nechráněné a využít přirozené rezervy stropní ocelobetonové desky, která při velkých průhybech změní statické chování z nosníkového na membránové, viz (Wald, Bednář a kol., 2011).

Na zkušebním objektu ve Veselí nad Lužnicí, viz (Jána a kol., 2011), byly v rámci evropského programu RFCS COMPFIRE zkoušeny postupně dva ocelobetonové stropy. 6. září 2011 byl vystaven putujícímu požáru strop nad druhým podlažím. 15. září 2011 byl zatížen prostorovým požárem strop nad prvním podlažím. Ocelobetonové desky byly betonovány do trapézového plechu Cofraplus 60 tloušťky 0,75 mm a oceli S350, viz (Wald, Jána a kol., 2011). Vnitřní nosníky byly navrženy z profilů IPE 270 a obvodové IPE 240 z oceli S355. Spodní deska nad prvním podlažím byla navržena s beton třídy C30/37, o tloušťce nad vlnou 60 mm a byla vyztužena vroubkovanou výztuží Ø 5 mm a s oky 100/100 mm a pevností 420 MPa. Horní deska nad druhým podlažím měla tloušťku betonové vrstvy 50 mm a byla vyztužena pouze rozptýlenou výztuží drátky HE+ 1/60 (1 450 MPa) v množství 30 kg / m³. Jako spřahovacích prvků bylo u horní desky použito prvků HILTI X-HVB 110 a u dolní desky trnů s hlavou. Návrh a realizaci stropních desek připravila společnost Arcelor-Mittal Construction CZ, s. r. o.

Vlastní tíha konstrukce stropu byla 2,5 kN / m². Dolní deska nad prvním podlažím byla zatížena nahodilým zatížením běžné administrativní budovy, které vyvozovaly pytle se štěrkem. Pytle hmotnosti 550 kg představovaly zatížení konstrukcí podlahou 0,5 kN/m², přemístitelnými příčkami 0,5 kN/m² a užitným zatížením 3 kN/m², které se za požární situace redukuje součinitelem 0,5. Rozmístění zatížení je zobrazeno na obr. 2. Horní deska nad druhým podlažím byla zatížena pouze vlastní tíhou.

CHOVÁNÍ DESKY NAD DRUHÝM PODLAŽÍM
Požární zkouška stropní desky nad druhým podlažím byla zaměřena na ověření účinků putujícího požáru a na přestup tepla do ocelobetonové konstrukce, viz (Horová a kol, 2011). Horní deska byla zatížena pouze vlastní tíhou. Aby se neporušila konstrukce před požárem v prvním patře, bylo v požárním úseku instalováno požární zatížení 173,5 MJ / m², které vyvodilo 40 min požár. Deformace desky neumožnily plné rozvinutí deskového mechanizmu, viz obr. 3. V místech záporných momentů u podpor, již ale vznikly trhliny, které detekovaly přechod k membránovému působení. Vlivem kombinace tahového a smykového působení a ocelovými vlákny nedostatečně vyztužené desky se největší trhlina utvořila podél vnitřního průvlaku.

CHOVÁNÍ DESKY NAD PRVNÍM PODLAŽÍM
Zkouška byla zaměřena na přestup tepla do konstrukce při požáru. Chování stropní desky je ukázáno na závislosti svislé deformace na čase na obr. 4. Deformace byla měřena uprostřed vnitřního nosníku, který byl blíže k oknu. Požární zatížení 511 MJ/m² a geometrie otvorů a požárního úseku umožnily požár delší než 120 min. Při požáru mezi 55. a 60. min byly porušeny přípoje vnitřních nosníků a následovalo porušení celistvosti desky a deskové působení se změnilo na vláknové, viz obr. 5 a 6.

STANOVENÍ POŽÁRNÍ ODOLNOSTI JEDNODUCHÝM ANALYTICKÝM MODELEM
Studená stropní deska v první fázi požáru přenáší zatížení ohybovou tuhostí ocelobetonových nosníků. Po asi 15. min požáru při teplotách nosníku nad 350 °C klesá již výrazně modul pružnosti požárně nechráněných ocelobetonových nosníků. Při velkých průhybech se na nosnících a v desce vytváří plastické klouby, které se postupně spojí do plastických linií. Vzniklý mechanismus přenáší zatížení po více než 60 min. Požární odolnost stropu je dána jeho tvarem, tloušťkou a vyztužením desky a rozvojem teploty v konstrukci. Při dalším nárůstu deformací se v desce vytvoří tažená membrána, ve které se působí tahové vnitřní sily ve středu desky a tlakový v prstenci desky na jejích okrajích.

Jednoduchý návrhový model požární odolnosti ocelobetonové desky vychází z teorie plastických linií odvozené pro betonové desky, viz (Johanson, 1948). Využívá se plastický návrh, který je založen na rovnosti práce při deformaci od vnitřních a vnějších sil. Deska se pro výpočet dělí na čtyři části, viz obr. 7. které jsou při výpočtu uvažovány ohybově tuhé. Takto stanovená ohybová únosnost se při výpočtu zvětší o vliv membránových sil při mezní deformaci, která se omezuje tažností desky. Při nárůstu průhybů se v desce vytvoří úplná tažená membrána. Toto chování se popisuje pokročilými modely. Podle stupně vyztužení se deska nejprve poruší v tahu příčnou trhlinou kolmo na více namáhaný směr. Úplný kolaps nastane po vyčerpání vláknového působení nebo porušení tlačeného prstence.

Průhyb desky lze při požáru složit ze dvou složek, z průhybů od mechanického zatížení a od teploty. Modul pružnosti materiálů během požáru klesá a první složka průhybu roste. Zatížení teplotou se projeví teplotním protažením v rovině desky a rozdílem teplot po její výšce. Vynucené deformace nerovnoměrným ohřátím betonových konstrukcí bývají výrazné.

PŘEDPOVĚĎ CHOVÁNÍ DESKY NAD PRVNÍM PODLAŽÍM
Stropní deska nad prvním ani druhým podlažím nesplňuje předpoklady jednoduchého výpočtu, při kterém se předpokládá její uložení nad požárně chráněné nosníky a jejich deformace se ve výpočtu zanedbává. Toto desku lze navrhnout pokročilým modelem MKP. Při návrhu jednoduchým analytickým modelem by ocelobetonový strop měl požární odolnost 60 min, viz (Wald a kol., 2011). Nejvyšší vypočtená teplota na spodní straně betonové desky byla 969 °C a naměřeno bylo 928 °C. Vypočtené teploty jsou zobrazeny na obr. 8. U stropních desek se také posuzuje kritérium izolace. Teplota na neohřívané straně nesmí překročit 140 °C. Podle výpočtů bylo kritérium izolace stanoveno na 60 min, které bylo při zkoušce překročeno v asi 75. min.

SHRNUTÍ
Chování stropních desek odpovídalo předpokladům deskového působení stropních konstrukcí. Experimenty prokázaly dobrou přesnost výpočtu přestupu tepla do konstrukce.

Zkouška horní desky nad druhým podlažím prokázala membránové působení ocelobetonové desky s rozptýlenou výztuží, viz (Bednář a Wald 2011). Množství drátků v betonu by nebylo pro desku mechanicky zatíženou i nahodilým zatížením dostatečné. Požadovaná smyková únosnost desky a její dostatečná deformační kapacita při velkých deformacích by byla dosažena při větším množství přidaných drátků. Pro požárně odolné stropní desky vyztužené pouze rozptýlenou výztuží se jako nejmenší ukazuje asi 40 až 50 kg/m³ drátků.

Zkouška stropní desky nad prvním nadzemním podlažím byla zaměřena na ověření chování přípojů nosníků na sloup a na nosník. Porušení přípojů způsobilo změnu statického působení stropní desky. Membránové působení v rovině desky se změnilo na vláknové působení v jednom směru.

Článek vznikl v rámci práce na grantu MŠMT č. P105/10/2159 Modely membránového působení stropních desek vystavených požáru.

ZDROJE INFORMACÍ:

• Bednář J., Wald F., Ocelobetonová deska s rozptýlenou výztuží za požáru, Konstrukce 2011, roč. 10, č. 3, s. 18–20, ISSN 1213-8762
• Horová K., Jána T., Wald F., Modelování požáru ve Veselí nad Lužnicí, Konstrukce, 2012, roč. 11, č. 1, s. 43–45, ISSN 1213-8762
• Jána T., Wald, F., Jirků J., Zíma P., Požární zkoušky na dvoupodlažní experimentální budově, Konstrukce 2011, roč. 10, č. 6, s. 57–59, ISSN 1213-8762
• Johanes K. W., Ultimate strength of Reinforced Concreate slabs, International Association for Bridge and Structural Engineering. Final Report, Third Confress, Liege, September 1948
• Wald F., Bednář J., Žižka J., Vassart O., Zhao, B., Požární návrh částečně chráněného ocelobetonového stropu pomocí software, Praha, ČVUT, 2011. 72 s., ISBN 978-80-01-04759-0
• Wald F., Jána T., Horová K., To demonstration fire tests, Design of joints to composite columns for improved fire robustness, Česká technika nakladatelství ČVUT, 2011, 26 s., ISBN 978-80-01-04871-9

Partially Protected Ceiling in Fire Test in Veselí nad Labem
The third article on fire tests in the experimental building in Veselí nad Lužnicí in 2011 describes the behavior of composite steel and concrete floor slabs. Their high resistance to fire is based on division of the building in fire zones and suitable structural design. It uses the great resistance of the membrane driven at high flexure. The article presents the design of roof slab using a simple design model.

Autoři

• Ing. Bednář Jan
• Ing. Jána Tomáš
• Prof. Ing. Wald František CSc.