Dřevobetonová deska s rozptýlenou výztuží za požáru

• Foto

V návaznosti na zkoušky ocelobetonových desek (Bednář, 2012) byly v rámci experimentálního programu vyrobeny dvě dřevobetonové desky o rozměru 3,0 × 4,5 m, viz obr. 1. Jedna deska byla připravena pro zkoušku za běžné teploty a jedna deska pro zkoušku za zvýšené teploty. Obě desky o tloušťce 60 mm byly vybetonovány na dřevěný rám z lepeného lamelového dřeva GL24h průřezu 200/240 mm s dvěma dřevěnými stropnicemi průřezu 120/160 mm, viz obr. 1. Beton byl vyztužen 70 kg/m³ drátky typu HE 75/50 Arcelor, pevnosti 1 200 MPa a dosáhl při materiálových zkouškách za běžné teploty pevnosti v tlaku 52,3 MPa a pevnosti v příčném tahu 5,8 MPa. Spřažení bylo zajištěno TCC šrouby průměru 7,3 mm a délky 150 mm ve dvou řadách pod úhlem 45° s roztečí 100 mm v podélném směru a 40 mm v příčném směru. Délka závitu šroubu je 100 mm a šroub byl do dřeva osazen na plnou délku závitu. Za běžné teploty byly stropní konstrukce zatěžovány hydraulickými válci prostřednictvím čtyř trojúhelníkových prvků 0,75 × 0,9 m. Za zvýšené teploty bylo zatížení desky vyvozeno 2 břemeny o rozměrech 0,3 × 0,3 × 1,8 m a teplotou plynu podle nominální normové teplotní křivky.

ZKOUŠKA ZA BĚŽNÉ TEPLOTY
Pro ověření chování desky a její dostatečné tažnosti byla za běžné teploty vyzkoušena deska, viz obr. 2. Při zkoušce se deformace měřila celkem 13 průhyboměry, z toho sedmi vertikálními a šesti horizontálními, viz obr. 3. Deska měla maximální průhyb 48 mm. Deformace desky neumožnily plné rozvinutí deskového mechanizmu. V rozích se utvořily trhliny v oblasti záporných momentů a dále podél obvodových nosníků. Ty předpovídaly přechod k membránovému působení. Vlivem kombinace tahového a smykového působení se největší trhlina utvořila podél krajního průvlaku pod břemenem. Zkoušky potvrdily možnost nahrazení betonářské výztuže rozptýlenou výztuží.

ZKOUŠKA ZA ZVÝŠENÉ TEPLOTY
Zkouška dřevobetonové stropní konstrukce proběhla v požární zkušebně PAVUS ve Veselí nad Lužnicí. Rozměry konstrukce 3,0 × 4,5 m byly navrženy podle rozměrů zkušební pece. Dřevěný rám stropní konstrukce byl požárně chráněn dřevěným obkladem a vnitřní dřevěné nosníky byly ponechány bez požární ochrany. Mechanické zatížení během zkoušky tvořily betonové kvádry, které byly rovnoměrně rozmístěny a simulovaly rovnoměrné zatížení o velikosti 3,48 kN/m². Zkušební vzorek byl navržen na požární odolnost R60. Uspořádání zkoušky je zřejmé z obr. 4.

Pro sledování chování dřevobetonové stropní konstrukce za požáru bylo použito 27 termočlánků. Třináct termočlánků bylo zabetonováno do desky, čtyři termočlánky byly umístěny do dřevěného nosníku a deset měřilo teplotu plynu v peci, viz obr. 5. Na konstrukci bylo nainstalováno 13 průhyboměrů, ze kterých sedm měřilo vertikální posun a šest horizontální posun.

Konstrukce byla zatěžována podle nominální normové teplotní křivky po dobu 150 min. Poté byly hořáky vypnuty, aby mohla pec přirozeně vychladnout. Výsledky zkoušky se zaznamenávaly i během chladnutí, aby se ověřilo chování stropu během celé doby případného požáru. Teplota dřevěných nosníků byla měřena ve středu a na koncích nosníků 40 mm od jejich spodního okraje. Požárně nechráněný dřevěný nosník dosáhl nejvyšší teploty 250 °C uprostřed rozpětí v 45 min. Snižující se ohybová únosnost nechráněných nosníků neumožnila déle přenášet mechanické zatížení a deskové působení se změnilo na membránové, viz obr. 6.

Teploty v betonové desce průběžně rostly po dosažení maximální teploty plynů ve 150 min požáru. Maximální teplota byla zaznamenána 845 °C uprostřed desky 20 mm od spodního povrchu desky. Rozdělení teplot v betonové desce uvádí obrázek 7. Teplota na neexponované straně betonové desky po 150 min byla mírně nad 350 °C. Porušení kritéria izolace, definované jako nárůst nad 140 °C, bylo překročeno v 52 min.

Průhyb desky lze při požáru složit ze dvou složek, a to z průhybu od mechanického zatížení a průhybu 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. Nerovnoměrné ohřátí betonové konstrukce způsobuje výrazné vynucené deformace. Při nízkých teplotách, menších než 400 °C, jsou změny průhybu převážně vlivem tepelného namáhání. Při větších teplotách roste průhyb rychleji a převládne vliv mechanického zatížení.

Vlivem narůstajícího průhybu se začalo během zkoušky projevovat membránové působení. Ve 150 min byl celkový průhyb stropu více než 220 mm.

V prvotní fázi se vyskytly malé trhliny v betonu v rozích a pokračovaly podél okraje desky. Rozšíření trhlin při zvyšování teploty neovlivnilo celistvost stropu. Významnější trhlina vznikla podél okraje po 105. min požáru. Ve 154 min došlo ke kolapsu stropní konstrukce, viz obr. 8. Ke kolapsu došlo vlivem porušení požární ochrany obvodového rámu a smykovým porušením mezi taženou a tlačenou částí. Na základě výsledků zkoušky lze chování dřevobetonové desky rozdělit do tří fází, viz obr. 9. V počáteční fázi požáru při nízkých teplotách, deska přenáší mechanické zatížení ohybovou únosností mezi nosníky (Fáze 1). Nechráněné dřevěné nosníky postupně odhořívají a ztrácí svou tuhost a únosnost. Konec této fáze se projeví poklesem průhybu v experimentu po cca 30 – 45 min. Stropní konstrukce přechází z nosníkového na deskové působení, při kterém se po plastifikaci průřezu a poklesu pevnosti a tuhosti drátkobetonu vytvoří v desce plastické linie (Fáze 2). Při dalším nárůstu deformací
po 46 min se ve středu desky vytvoří tažená membrána a na jejím obvodu tlačený prstenec. Ve středu desky působí tahové vnitřní síly a v prstenci na jejích okrajích tlakové (Fáze 3).

SHRNUTÍ
Výsledky zkoušky poskytují experimentální údaje o chování dřevobetonové stropní konstrukce vystavené nominální normové teplotní křivce a jejím membránovém působení. Dřevobetonová deska nebyla po obvodě vodorovně držena. Svislé uložení umožnilo vznik membránové působení s rovinnými silami přecházejícími do tahu ve střední části desky a tlaku po obvodě desky. Díky membránovému působení mohly vnitřní stropnice za požárního stavu zůstat požárně nechráněné.

Příspěvek popisuje výstupy práce na projektu Grantové agentury České republiky č. P105/10/2159.

LITERATURA:
[1] Bailey C.G., Moore D.B., The structural behaviour of steel frames with composite floors slabs subject to fire – part 1 theory, Struct Eng, 2000, Vol. 78(11), 19–27.
[2] Bednář, J., Wald, F.: Ocelobetonová deska s rozptýlenou výztuží za požáru. Konstrukce. 2011, roč. 10, č. 3, s. 18–20. ISSN 1213-8762.
[3] Bednář J., Wald F., Požární odolnost částečně chráněných ocelobetonových stropů, Konstrukce, 2011, roč. 10, č. 3, s. 11–13. ISSN 1213-8762.
[4] Dvořáková E., Bednář J., Wald F., Vassart O., Zhao B., Membránové působení ocelobetonové konstrukce vystavené požáru – Vědecké podklady, 1. vyd. Praha: ČVUT, 2012. 152 s. ISBN 978-80-01-05083-5.
[5] Holschmacher K., Klotz S., Weise D., Application of steel fibre reinforced concrete for timber-concrete composite constructions, Lacer No. 7.2002, 161–170.
[6] Kodur V.K., Lie T.T., Thermal and mechanical properties of steel-fibre-reinforced concrete at elevated temperatures, Can. J. Civ. Eng., 1996, 23, 511–517.

A Wooden and Concrete Board with Distributed Reinforcement during a Fire
Furnace test was performed on one full-size floor specimen at the Fire testing laboratory PAVUS. Floor specimen was 4,5 m long and 3 m wide, consisting of 60 mm fibre concrete topping on plywood formwork, connected to GL floor joists. It was subjected the standard fire for over 150 min. The membrane effect of the floor was progressively activated. The project is part of the experimental research that deals with the effect of membrane action of composite steel fibre reinforced floor slabs exposed to fire and continuous on previous research on steel fibre reinforced concrete slabs. The main objective of the project is the preparation of the analytical prediction model for the fire resistance of the steel-concrete and timber-concrete slab with steel fibre concrete. Based on the experiments was prepared analytical design model and tested design that allows for large deflections at elevated temperatures to use membrane action of the floor.

Autoři

• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Caldová Eva
• Ing. Kuklíková Anna Ph.D.