Materiálové charakteristiky nosníků budovy archívu Opava

• Foto

Experimentální práce byly provedeny ve dvou ucelených etapách, nejprve bylo provedeno hodnocení litinových sloupů, v druhé etapě se pak pozornost věnovala ocelovým nosníkům.

K těmto experimentálním pracím bylo nutné přistoupit zejména proto, že neexistovala žádná dokumentace o původu a jakosti použitého materiálu a neexistovaly rovněž podklady dokumentující úroveň mechanických vlastností. Bylo rovněž nutné stanovit reálný stav mechanických vlastností s ohledem na dlouhodobou funkci budovy.

Požární odolnost budov, jejichž nosná konstrukce je tvořena ocelovými nosníky, může být zvýšena několika různými způsoby:

• návrhem konstrukce a použitím konstrukčních prvků se zvýšenou požární odolností tak, aby tyto prvky byly vystaveny účinkům požáru pouze částečně (ochranné požární nástřiky, apod.)
• použitím větších nosných průřezů konstrukčních prvků • použitím ocelí se zvýšenou pevností za vysokých teplot ve srovnání s klasickými konstrukčními ocelemi.

Řešení zvýšení požární odolnosti stávající budovy nacházející se v centru města (na kterou jsou tedy kladeny zvýšené nároky z pohledu požární odolnosti) je tedy poněkud problematické a v podstatě se redukuje na nutnost provést ochranný protipožární nástřik konstrukčních prvků, jehož základní nevýhodou je časově omezená funkce a tedy nutnost ho po nějakém čase obměňovat.

Na základě odhadů statika byl proveden odhad požární odolnosti budovy ve stavu před posuzování a následnými úpravami v rozmezí 15–20 minut v závislosti na podlaží při únosnosti cca 100–150 kg/m² půdorysné plochy.

Cílem experimentálních prací bylo stanovit skutečný stav, tedy reálnou hodnotu požární odolnosti na základě provedených šetření.

EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM
Hodnocení litinových sloupů bylo provedeno v rámci [1] a bohužel přesahuje rozsah tohoto příspěvku, dále se budeme zabývat hodnocením mechanických vlastností nosníků budovy. Pro experimentální program byla použita část nosníku profilu I o přibližných rozměrech základny 106 mm a výšce 230 mm.

Původní nosníky profilu I byly vyrobeny ve firmě VITKOVICE ve 30. letech 20. století, a neexistuje žádný záznam o předpokládaných vlastnostech, které by tyto nosníky měly splňovat.

Experimentální materiál a rozřezový plán pro výrobu zkušebních těles je uveden na obr. 1. V rozřezovém plánu jsou uvedeny i další typy zkušebních těles, které byly z tohoto nosníku vyrobeny za účelem komplexní analýzy materiálových vlastností.

KONTROLNÍ CHEMICKÝ ROZBOR
Získané výsledky obsahů jednotlivých prvků jsou uvedeny v tabulce 1.

Z výsledků kontrolního chemického rozboru uvedených v tabulce 1 je patrné, že se jedná o zcela běžnou konstrukční ocel. Ocel není dolegována žádnou legurou pro zvýšení úrovně mechanických vlastností, poměrně vysoký výskyt znečišťujících prvků (S, P) je poplatný použité technologii výroby v dané době. Z metalurgického hlediska zneklidňující může být výskyt stopových prvků (Sn, Sb, As), které velmi výrazně degradují kvalitu oceli a zejména křehkolomové vlastnosti.

Na základě chemického rozboru je možné konstatovat, že se jedná o ocel třídy 11, bližší určení není pouze na základě chemického rozboru možné.

STANOVENÍ HODNOT MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ ZKOUŠKOU TAHEM
Jak je patrné z rozřezového plánu na obr. 1, z nosníku (odebraného z přízemí) byly vyrobeny zkušební tyče pro zkoušku tahem o průměru 6 mm a měřené délce 30 mm. Z nosníků umístěných ve 3. a 4. patře byly mechanicky odebrány výřezy z oblasti patek o přibližných rozměrech cca 40 × 40 mm. Z těchto výřezů byly vyrobeny miniaturizované zkušební tyče pro zkoušku tahem o průměru 3 mm a měřené délce 15 mm (viz obrázek 2).

Zkoušky tahem byly provedeny na dvou zkušebních tyčích při laboratorní teplotě dle [2]. Získané výsledky jsou uvedeny v tabulce 2.

Na základě dosažených hodnot mechanických vlastností provedených na celkem třech nosnících je možné konstatovat, že hodnoty mechanických vlastností vykazují poměrně velký rozptyl, který je částečně poplatný dané technologii výroby oceli, rozhodně však svědčí o tom, že na stavbu budovy byly použity nosníky vyrobené z různých taveb.

Obecně je možné konstatovat, že se jedná o konstrukční ocel s úrovní meze kluzu cca 230–360 MPa a meze pevnosti v rozmezí 340–450 MPa.

MĚŘENÍ PROFILU TVRDOSTÍ
Měření tvrdosti bylo provedeno metodou dle Vickerse zatížením 30 kp na kombinovaném tvrdoměru Brinell-Vickers jednak v oblasti patky nosníku, kde byla naměřena průměrná hodnota tvrdosti HV 107 a jednak ve středové oblasti stojiny profilu, kde byla naměřena průměrná hodnota tvrdosti HV 137.

METALOGRAFICKÝ ROZBOR
Hodnocení makrostruktury bylo provedeno na příčném řezu. Z vybraného místa byl odebrán vzorek pro následné mikrostrukturní šetření. Makrolept zvýraznil jemnozrnnou strukturu s velkým množstvím různě dlouhých, úzkých vycezenin vyskytujících se po celé šířce nosníku, obr. 3. Pro další mikrostrukturní rozbor byl z makroleptu odebrán vzorek z míst s výskytem vycezenin.

V neleptaném stavu byl u vzorku zjištěn výskyt velkého množství globulárních, popř. drobných neprotvářených sulfidických vměstků a ojedinělý výskyt silikátů. Po naleptání vzorku v 4% Nitalu byla u povrchu vzorku mikrostruktura oduhličená, jemnozrnná, feritická s ojedinělým výskytem karbidických (cementitických) částic vyloučených po hranicích feritických zrn, obr. 4. Ve středové oblasti vzorku byla struktura tvořena feritem a drobnými bloky lamelárního perlitu. Dále zde byly pozorovány poměrně hrubé pásy tvořené feritickou matrici s velkým množstvím sulfidických vměstků, obr. 5. Kompletní metalografická zpráva je obsažena v [3].

HODNOCENÍ LOMOVÉHO CHOVÁNÍ
Hodnocení lomového chování bylo provedeno jednak zkouškou rázem v ohybu na zkušebních tělesech Charpy s V vrubem v takovém rozsahu zkušebních teplot, aby bylo možné popsat celou teplotní závislost (Vidalovu křivku) zahrnující oblast horních prahových hodnot, tranzitní oblast a oblast spodních prahových hodnot. Dále bylo hodnocení lomového chování provedeno zkouškami lomové houževnatosti na zkušebních tělesech typu CT zatěžovaných excentrickým tahem. Hodnocení lomového chování na základě přístupu lomové mechaniky bylo provedeno při laboratorní teplotě. Charakteristickým znakem lomového chování byl stabilní růst tvárné trhliny, takže lomové chování bylo hodnoceno tzv. R křivkou, která vyjadřuje odpor materiálu vůči stabilnímu šíření trhliny.

Z dosažených výsledků prezentovaných na obrázku 6 a 7 je patrné, že materiál má úroveň nárazové práce v oblasti prahových hodnot odpovídající cca 140 J. Tranzitní oblast je posunuta výrazně vpravo a je poměrně široká (cca 80 °C), při laboratorní teplotě se pak materiál nachází v podstatě v oblasti spodních prahových hodnot, což by mohlo při existenci defektu kritické velikosti v konstrukci představovat značný problém.

Zcela odlišná situace je ale v případě hodnocení lomového chování zkouškami lomové houževnatosti, kdy na základě sestrojené R křivky je možné konstatovat, že hodnota elastoplastického ekvivalentu lomové houževnatosti odpovídající inženýrskému počátku stabilního růstu trhliny odpovídá hodnotě K_JC = 220 MPam^0,5. Tato hodnota svědčí o velmi dobré odolnosti materiálu vůči stabilnímu růstu trhliny.

DISKUZE
Na základě provedených experimentálních prací, je možné konstatovat, že nosníky budovy archívu v Opavě jsou vyrobeny z uhlíkové konstrukční oceli běžné jakosti s mezí kluzu v rozsahu 220– 350 MPa a mezí pevnosti R_m = 340–450 MPa. Kontrolní chemický rozbor odhalil vyšší obsahy S a P a rovněž také stopových prvků svědčící o nízké metalurgické kvalitě, která však odpovídá ocelářské technologie používané v době vzniku taveb. Vyšší obsahy stopových prvků výrazně snižují křehkolomové charakteristiky studované oceli, vyjádřené teplotní závislostí nárazové práce (Vidalovou křivkou) a jsou důsledkem jak absolutně nižších hodnot v oblasti horních prahových hodnot, tak rozšíření tranzitní oblasti. S ohledem na polohu tranzitní křivky na teplotní ose je nutné dbát zvýšené opatrnosti, při výskytu defektu kritické velikosti by mohlo dojít k náhlému nestabilnímu lomu. Hodnocení lomového chování provedené na základě koncepce lomové mechaniky na zkušebních tělesech odpovídajících plné tloušťce nosníku vykazuje plně akceptovatelnou hodnotu elasto-plastického ekvivalentu lomové houževnatosti potřebného pro iniciaci stabilního šíření tvárné trhliny v konstrukci.

Na základě získaných hodnot mechanických a křehkolomových vlastností byl přepracován statický posudek a výpočet požární odolnosti budovy, kterým se podařilo prokázat, že požární odolnost budovy se při uvažování skutečného průřezu nosníků a jejich aktuálních hodnot mechanických vlastností zvýšila na 45–65 minut v závislosti na podlaží při únosnosti 200 až 300 kg/m².

Po dodatečné aplikaci protipožárního nástřiku či zabezpečení odvodu tepla z konstrukčních prvků pomocí alternativního postupu navrženého v práci [4] se požární odolnost zvýší až na 75 minut ve všech podlažích, což výrazně překračuje požadavky dané aktuálními zákonnými normami.

ZÁVĚRY
Na základě provedených zkoušek mechanických vlastností nosníků budovy archívu v Opavě je možné konstatovat, že:

• na základě provedeného chemického rozboru, tahových zkoušek vyplývá, že materiál nosníku budovy archívu v Opavě je vyroben z uhlíkové konstrukční oceli běžné jakosti (třída 11),
• materiál použitý pro výrobu nosníků vykazuje poměrně velký rozptyl hodnot mechanických vlastností, který je s největší pravděpodobností způsoben použitím více taveb s odlišným chemickým složením,
• z chemického rozboru vyplývá, že v materiálu jsou přítomny znečišťující prvky a rovněž prvky stopové ve vyšší koncentraci, která však koresponduje s technologickými možnostmi v době výroby,
• struktura vykazovala známky povrchového oduhličení, patrně vzniklého již z procesu výroby a tepelného zpracování, mikrostruktura nevykazovala žádné znaky rozpadu struktury, samotná mikrostruktura byla tvořena feritickou matricí s velkým počtem zejména sulfidických vměstků a drobnými bloky lamelárního perlitu. Na povrchu nosníku pak byla mikrostuktura tvořena vlivem oduhličení feritickými zrny s jasně patrnými karbidickými (cementitickými) částicemi vyloučenými po hranicích zrn,
• požární odolnost budovy se při uvažování skutečného průřezu nosníků a jejich aktuálních hodnot mechanických vlastností zvýšila z původních 15–20 minut na 45–65 minut při únosnosti 200 až 350 kg/m² v závislosti na podlaží. Autoři článku vyjadřují své poděkování za finanční podporu MŠMT v rámci programu Výzkumný záměr MSM 2587080701.

LITERATURA:
[1] Kander, L.: Litinové sloupy Opava, Technická zpráva T1/2005, Vítkovice-Výzkum a vývoj, spol. s r. o. Leden 2005
[2] ČSN EN 10002-1: Kovové materially – Zkoušení tahem – Část 1: Zkušební metoda za okolní teploty.
[3] Miczková,M.: Mikrostrukturní rozbor nosníku archívu v Opavě, Zpráva 945 m 166/2008. MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s. r. o., Ostrava, listopad 2008.
[4] Kander, L.: Hodnocení mechanických vlastností materiálu nosníku budovy Praskova 1, Opava 1, 747 06 (historické centrum města). Technická zpráva T2/2009, MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s. r. o., leden 2009

Material properties of beams of the archives building Opava
Between 2005 and 2008, the strength properties assessment of structural elements (supporting poles and beams) of the archives building in the historic centre of Opava was prepared. Assessed structural elements are located in a six-storey building built around 1930. They include supporting poles of cast-iron and beams of I-profiles. The main motivation for execution of these works was to assess the strength properties necessary to calculate static load capacity of the building construction with regard to fire safety requirements, determining the fire resistance.

Autoři

• Ing. Kander Ladislav
• Ing. Čížek Petr