Navrhování ocelových konstrukcí bez protipožárních nátěrů II.

Základní informace
Investor: Philips BV
Architekt: ZZ+P Architects
Návrh nosné ocelové konstrukce: Samenwerkende adviesbureaus Amstelhoek
Dodavatel: Sedijko
Požární návrh: (s využitím zpřesněného modelu) Centre for Fire Research TNO
Termín výstavby: 1996
Typ budovy: výšková administrativní budova
Výška: 135 m
Půdorysné rozměry: 32,4 × 32,4 m

Nosná konstrukce
Nosnou konstrukci budovy o výšce 135 m tvoří ocelová konstrukce se sloupy podél obvodového pláště a železobetonové jádro čtvercového půdorysu. Jádro současně slouží ke ztužení budovy a jsou v něm umístěny výtahy a schodiště, viz obrázek 1. Stropní konstrukci tvoří spřažené nosníky a železobetonová deska, trapézové plechy byly použity jako ztracené bednění. Přípoje ocelových nosníků ke sloupům i k betonovému jádru byly navrženy jako kloubové. Výška typického podlaží je 3,4 m, viz obrázek 2. Každé podlaží tvoří samostatný požární úsek.

Obrázek 1 – Budova Rembrandt Tower v Amsterdamu a svislý řez
s vyznačením prvků vystavených účinkům požáru

Obrázek 2 – Půdorys typického podloží

Tradiční řešení požární bezpečnosti
Požární předpisy platné v Holandsku vyžadují stejnou požární odolnost pro budovy nižší než 70 m i pro výškové budovy. Konstrukce musí být navržena tak, aby po dobu trvání požáru nedošlo k jejímu kolapsu, avšak metoda pro posouzení konstrukce není specifikována. Při návrhu konstrukce byla po dohodě s místními úřady zvolena požární odolnost R120 ve spojení s instalací samočinného hasicího zařízení (sprinklerů). Požární odolnost byla stanovena s použitím jednoduchých modelů na jednotlivých prvcích konstrukce vystavených účinkům požáru. Tento postup nezohledňuje účinky spolupůsobení jednotlivých prvků a vnáší do celého posudku značnou nejistotu, protože zanedbává zatížení a vynucené deformace způsobené interakcí jednotlivých částí konstrukce. Je zřejmé, že tyto účinky často představují významnější vliv než ostatní účinky požáru. Při použití jednoduchých modelů izolovaných prvků také nelze zohlednit příznivé účinky vyplývající ze spolupůsobení.

Alternativní požární návrh s využitím zpřesněných modelů

Úvod
Cílem této studie bylo získat přesnější představu o průběhu požáru a chování konstrukce včetně vzájemného spolupůsobení jednotlivých prvků. S využitím těchto poznatků je možno optimalizovat protipožární ochranu nosné konstrukce a tak dosáhnout ekonomického návrhu. Konstrukce byla analyzována metodou konečných prvků s využitím software DIANA, model představoval plně rozvinutý požár v jednom požárním úseku. Rozvoj požáru (běžně popisovaný nominální teplotní křivkou) byl v tomto případě simulován pomocí zónového modelu s využitím programu OZONE. Tento model popisuje průběh hoření a rozvoj teploty plynů na základě parametrů požárního úseku a skutečného požárního zatížení. Vzhledem k tomu, že se průřez sloupů zmenšuje v horních podlažích (podle skutečně působícího zatížení), byla provedena studie (s využitím nominální teplotní křivky) zkoumající vliv průřezu sloupů. Tato studie ukazuje, že nejkritičtější jsou sloupy v 21. podlaží, které bylo proto zvoleno pro podrobnou analýzu, viz obrázek 1.

Analýza požárního úseku
Požár v požárním úseku byl simulován pomocí programu OZONE. Vzhledem k tomu, že většina administrativních prostor představuje velkoprostorové kanceláře bez dělících příček, byl vytvořen model požárního úseku o rozměrech 32,4 × 32,4 m bez centrálního prostoru o rozměrech 14,4 × 14,4 m (betonové ztužující jádro). Skutečné teplotní vlastnosti betonových stěn, spřažené stropní konstrukce a konstrukce obvodového pláště (sestávající z ocelového plechu, minerální vlny a žulového obkladu) byly popsány nominálními hodnotami převzatými z databáze programu OZONE. Program dovoluje zahrnout i účinek sprinklerů. Velký vliv na průběh požáru má přístup vzduchu rozbitými skleněnými výplněmi okenních otvorů, proto byla vypracována jednoduchá studie zkoumající vliv okamžiku, kdy dojde k jejich rozbití, na výslednou teplotu ocelové konstrukce. Studie ukazuje, že tento vliv je poměrně malý. Pro výsledný model byl použit předpoklad, že k rozbití všech výplní dojde na samém začátku požáru.

Teplotní analýza
Samostatné modely byly použity pro určení teploty plechobetonové desky, běžných nosníků průřezu HE280AA a zesílených okrajových nosníků průřezu HE240M. Model potvrdil nerovnoměrné rozložení teploty po výšce desky, které se měnilo v čase. Protože sloupy byly vystaveny účinkům požáru ze všech čtyř stran, byl získán časový průběh teploty s předpokladem konstantní teploty po celém průřezu. Příklad průběhu teplot je na obrázku 3.

Obrázek 3 – Průběh teploty v železobetonové stropní desce v 75. minutě (vlevo)
a v nechráněném ocelovém nosníku v 50. minutě požáru

Analýza konstrukce
Nosná konstrukce celého 21. podlaží včetně sloupů byla modelována metodou konečných prvků. Oba konce sloupů byly vetknuté, horní konec byl posuvný ve svislém směru. Tento konec byl zatížen účinky horních podlaží se součiniteli zatížení rovnými jedné. Nosníky, sloupy a žebra stropní desky byly modelovány prutovými prvky s numerickou integrací matice tuhosti odvozené podle Mindlin-Reissnerovy teorie. Pro stropní desku byly použity deskové prvky, trapézový plech byl modelován jako výztuž betonové desky s rozdílnou teplotou stěny, spodního a horního povrchu průřezu. Nelineární průběh teploty v žebrech a v betonové desce byl zjednodušen a nahrazen lineárním. Jako průměrná teplota desky byla zvolena průměrná teplota na ose symetrie získaná z teplotní analýzy, viz obrázek 3, a teplotní gradient byl odvozen z požadavku stejné teploty výztuže jako v modelu pro teplotní analýzu desky (obrázek 3). Analýza potvrdila, že v průběhu požáru nedojde ke kolapsu konstrukce, a po skončení požáru ukázala zmenšení svislých průhybů vlivem chladnutí (obrázky 4 a 5).

Obrázek 4 – Svislé průhyby stropní desky

Obrázek 5 – Deformace nosníků a stropní desky

Podrobné studium výsledků analýzy ukazuje na značná napětí v rozích stropní desky (podél nosníků průřezu HE240 na obrázku 2) způsobené přerozdělením zatížení. V této oblasti může dojít k překročení únosnosti betonu v tlaku vlivem přetížení. Je zřejmé, že toto nelze zjistit analýzou jednotlivých prvků konstrukce. Na základě této podrobné analýzy lze upustit od protipožární ochrany ocelových nosníků, což vede ke značným finančním úsporám v porovnání s tradiční metodou požárního návrhu. Úspory činí přibližně 540 000 Euro podle cen z roku 2001.

Závěr
Na základě alternativního návrhu s využitím zpřesněného modelu lze vyvodit následující závěry:

• Je dosažena stejná spolehlivost ocelové konstrukce i v případě, kdy stropní nosníky nejsou opatřeny protipožární ochranou. Sloupy musejí být chráněny.
• Je třeba provést další opatření ke zvýšení spolehlivosti (přídavná výztuž v rozích betonové desky).
• Lze dosáhnout značných finančních úspor v porovnání s konstrukcí navrženou tradičním postupem.

Původní text napsal: M. Haller / ARCELOR Long Carbon Steel, Research Department

Další souhrnné informace o problematice návrhu požárních konstrukcí naleznete na www.pozarni-inzenyrstvi.cz.

Autor

• Ing. Olšanský Petr