Nosníky s vlnitou stojinou při požární zkoušce v Mokrsku

• Foto

Hlavním cílem požární zkoušky na jednom podlaží administrativní budovy bylo ověřit chování ocelobetonového spřaženého stropu jako celku. Na jedné čtvrtině stropu byly použity spřažené ocelobetonové nosníky s vlnitou stojinou. Na popis jejich chování při vystavení vysokým teplotám za požáru je zaměřen tento příspěvek, který navazuje na informaci o rozvoji teploty a jejím modelování v článcích v časopise Konstrukce č. 1 a 2/2009.

Návrh ocelového nosníku s vlnitou stojinou vychází z předpokladu, že normálová napětí od momentu nebo normálové síly přenáší pouze příruby a naopak smyková napětí pouze vlnitá stojina. V případě ocelobetonového spřaženého průřezu přebírá tlakovou normálovou sílu od ohybu část betonové desky nad neutrální osou, tahovou sílu pak pásnice, viz [1]. Ohybová únosnost se stanoví z plastického rozdělení vnitřních sil po průřezu. Při částečném spřažení se ohybová únosnost případně vlivem prokluzu redukujeme. Boulení od smyku na vlnité stojině se počítá odlišně od boulení na rovinné stojině. Pro řešení lze použít např. řešení navržené Pasternakem, viz [2] a [3]. Vlnitá stojina se uvažuje jako ortotropní deska s rozdílnými tuhostmi D_x ke svislé ose, rovnoběžné s vlnami, a D_y k vodorovné ose, kolmé na vlny. Tuhost D_y je podstatně větší. Kritické smykové napětí se vyjádří jako

(1),
odkud lze stanovit poměrnou štíhlost stojiny
 

(2),
a pomocí součinitele | smykovou únosnost stojiny.

Za požáru lze rozlišit dvě fáze chování spřaženého ocelobetonového stropu. V první fázi, za nižších teplot, účinky zatížení přenáší ocelobetonová deska a nosníky a jejich únosnost se postupně se vzrůstající teplotou redukuje, viz [4] a [5]. V prvcích dochází k redukci modulu pružnosti a meze kluzu vlivem teploty, která se vyjádří redukčními součiniteli k_E popř. k_y. Účinná průřezová plocha ocelobetonové desky je oblast, kde teplota materiálu nepřekročí kritickou teplotu. Míra spřažení únosnost neovlivní, protože se při vysokých teplotách zvyšuje. Za zvýšených teplot dojde ve vlnité stojině nosníku k redukci kritického smyku úměrně poklesu modulu pružnosti, což povede k redukci součinitele smyku. Při návrhu se únosnost vlnité stojiny redukuje součinitelem k_y.

V další fázi požáru při vytvoření velkých průhybů se funkce ocelobetonového stropu změní. Tuhost ocelového nosníku klesá a většina účinků zatížení je přenášena ocelobetonovou deskou, která je vyztužena tažnou sítí a působí jako membrána. K vyčerpání membránové únosnosti dojde porušením tlačeného věnce, který se v desce vytvoří, nebo obvodových požárně chráněných nosníků, viz [6].

NOSNÍKY S VLNITOU STOJINOU V EXPERIMENTÁLNÍM OBJEKTU
Výzkumu nosníků s vlnitou stojinou bylo věnováno pole B-C/2-3, viz obr. 1, tedy čtvrtina stropu pokusného objektu, viz [7] a [8]. V konstrukci byly umístěny tři nosníky s vlnitou stojinou WTB 500/220 × 12, v poli 2-3/B-C o celkových rozměrech 6 × 9 m. Nosníky byly navrženy na rozpětí 9 m se vzájemnou vzdáleností 2 m. Spřažení s betonovou deskou (C25/30) tloušťky 60 mm na trapézovém plechu CF 60 s výškou vlny 60 mm bylo řešeno spřahovacími trny průměru 19 mm a délky 110 mm. Deska byla vyztužena ocelovou hladkou výztuží průměru 12 mm v žebrech s krytím 20 mm a ocelovou hladkou sítí 30 mm s oky 100 × 100 mm o průměru 10 mm pod horním lícem desky. Spřažení bylo navrženo jako úplné, trny po jednom v každé vlně, vzájemná vzdálenost 207 mm. Trny byly navařovány ve výrobě a na stavbě byly nasazeny plechy do otvorů o průměru 40 mm. Spřažené nosníky byly navrženy jako prosté. Kloubové uložení na průvlaky bylo řešeno přípojem na čelní desku s částí šroubů chráněných obetonováním v ocelobetonové desce.

Při experimentu se sledoval rozvoj teploty v nosnících, zejména ve vlnité stojině, který přináší pokles modulu pružnosti a meze kluzu a vznik plastických oblastí ve vlnité stojině. Pro popis chování se měřily svislé průhyby nosníků, vodorovné deformace ocelobetonové desky, teplota konstrukce na horní pásnici, ve středu výšky stojiny, na dolní pásnici a poměrné deformace ve stojině, ze kterých byly stanoveny napětí ve stojině. Umístění jednotlivých čidel na nosnících s vlnitou stojinou, jejich typy a účel jsou shrnuty v tab. 1.

Hodnoty byly odečítány každých 5 s a přenášeny kabelovou sítí do výpočetního centra, kde byly výsledky průběžně ukládány. Součástí měření bylo snímkování termokamerou v intervalu 60 s, které umožnilo průběžně dokumentovat rozložení teplot na konstrukci. Na záběrech z kamery je dobře patrný krajní nosník CS4. Výhled na vnitřní nosníky je často zakryt kouřem. Kromě měření veličin on-line byla před zkouškou a po zkoušce konstrukce zachycena geodeticky prostorovým skenováním, což umožnilo dokumentovat konečné deformace konstrukce po požáru s přesností 10 mm.

TEPLOTY
Pro zahřívání nosníků s vlnitou stojinou jsou směrodatné teploty plynu naměřené čidly TG05 a TG06. Teplota prudce rovnoměrně stoupala do 21. min (845 °C), po kratším poklesu dosáhla absolutního maxima ve 30. min (882 °C), viz obr. 2. Na pohledu do okenního otvoru v 47. min zkoušky, viz obr. 3, jsou patrné velké deformace nosníků a poloha termočlánků pro měření teploty plynu a teploty dolních pásnic středů nosníků. Dále teplota stagnovala a držela se okolo hodnoty 800 °C až do kolapsu sousedního pole v 61. minutě, kdy skokem poklesla z 714 °C na 350 °C. Z těchto údajů je zřejmé, že ve zkoumané oblasti byly nižší teploty než v prostoru pod prolamovanými nosníky AS1 až AS7, viz obr. 1, kde teplota plynu dosáhla 935 °C.

Teploty dolní pásnice, vlnité stojiny i horní pásnice prudce stoupaly od počátku požáru až do 30. min, kdy dosáhly asi 75 až 85 % nejvyšších hodnot, viz obr. 4 až 6. Potom se jejich vzestup zpomalil a dále pokračoval, přičemž mezi 40. a 50. min dosáhl maxima a potom mírně klesal až do 60. min. Po 61. min, kdy došlo ke kolapsu sousedního pole a k vyhoření paliva na otevřeném prostoru, teploty zpočátku velmi prudce a později pozvolněji klesaly. V 90. min požáru se teploty pohybovaly mezi 200 až 300 °C. Křivky pro horní a dolní pásnici a pro stojinu jsou si podobné, liší se pouze hodnotou největší dosažené teploty. V dolní pásnici byla naměřena nejvyšší teplota v nosníku 826 °C, ve 47. min, termočlánek TC 27, na dolní hraně vlnité stojiny 816 °C, 46. min, TC82, ve středu výšky vlnité stojiny 808 °C, 46. min, TC81, na horní hraně stojiny 754 °C 46. min, TC84, viz obr. 7 a 8. Pro srovnání teplota dolní řady šroubů ve styku dosáhla 427 °C v 60. minutě a horní řady šroubů, v betonové desky, dokonce jen 233 °C až v 73. min požáru. Teplota betonové desky 10 mm nad trapézovým plechem dosáhla teploty 227 °C v 56. min, ve středu desky pouze okolo 100 °C. Z uvedeného vyplývá, že teploty po výšce nosníku směrem k horní pásnici klesají, rozdíl činí asi 9 %. Podstatně nižší teploty jsou dosahovány na horní pásnici, které jsou v kontaktu s betonovou deskou, která se pomaleji zahřívá, viz obr. 9. Na obr. 9 a 10 je vidět, že ve fázi rozhořívání požáru je střed nosníku teplejší než jeho kraje a při chladnutí je opačný rozdíl teplot. Zde je dosahováno pouze asi 28 % teploty dolní pásnice. Je patrné časové zpoždění dosažení nejvyšší teploty, které představuje až 25 min.

DEFORMACE
Během požáru došlo velkým deformacím sledované ocelobetonové desky, viz obr. 3 a 11. Největší změna průhybu nosníků s výrazným přetvořením vln stojiny, které svědčí o vzniku plastické oblasti, nastala v blízkosti konce nosníku. Změny na konstrukci byly nevratné. Desku se ale nepodařilo prolomit. Informace o změnách svislého průhybu nosníku v průběhu požáru poskytly průhyboměry V5, nad středem nosníku CS3 a V6, nad středem nosníku CS2.

Vnitřní nosník CS2 dosáhl největšího průhybu 130 mm v 60. min požáru. Zpočátku byl nárůst průhybu rychlejší ve 30. min byl průhyb 100 mm, od 30. min se nárůst zpomalil a v 60. min požáru dosáhl maxima. Mírný skok průhybu v 61. min je způsoben kolapsem střechy v poli 1-2 a přelomením betonové desky nad řadou 2. Dále průhyb pozvolna klesá až k hodnotě 106 mm v 90. min, od 60. min nastala již fáze chladnutí. Nosník CS3 blíže vnějšímu okraji desky dosáhl největšího průhybu 256 mm v 60. min požáru. Také zde je počáteční nárůst prudší ve 30 min 200 mm, potom zpomaluje, ale zlom není tak prudký jako u nosníku CS2. V 61. min při kolapsu sousedního pole skokem narostl na 267 mm. Během fáze chladnutí poklesl k hodnotě 198 mm v 90. min.

Data o vodorovných deformacích ocelobetonové desky poskytly vodorovné průhyboměry H2, které měřily ve směru y, rovnoběžně s číslovanými řadami, ve středu pole B/2-3, a H5, které snímaly ve směru x, rovnoběžně s řadami označenými písmenem, ve středu pole 3/B-C, viz obr. 12. Vodorovná deformace ve směru y (H2) začala narůstat projevovat od 9. min a prudce rostla do 24. min, kdy dosáhla hodnoty 13,4 mm. Od tohoto okamžiku je záznam neměnný, což je způsobeno poruchou průhyboměru. Vodorovná deformace ve směru x (H5) narůstala od 8. min. Zvětšovala se do 25. min, kdy dosáhla nejvyšší hodnoty –11,6 mm. Potom prudce klesla na –9,3 mm a dále zůstávala téměř konstantní až do 60. min, kdy téměř skokem klesla na –5,0 mm. Lze předpokládat, že data po 25. min byla ovlivněna poruchou měření vodorovných deformací.

ZÁVĚR
Požární zkouška v Mokrsku prověřila chování ocelobetonových nosníků s vlnitou stojinou při vystavení vysokým teplotám za požáru, viz obr. 13. Po snížení únosnosti ocelových nechráněných nosníků vlivem degradace materiálu se při velkých deformacích projevila rezerva únosnosti ocelobetonové desky.

Tato práce byla vypracována s podporou výzkumného centra MŠMT CIDEAS č. 1M0579.

LITERATURA:

• ČSN EN 1993-1-5:2008 Navrhování ocelových konstrukcí [1] cí – Část 1.5: Boulení stěn, ČNI, Praha, 2008
• Pasternak, H. – Branka, P.: Zum Tragverhalten von Wellstegträgern, Bauingenieur 73, č. 10, 1998, s. 437–444
• Corrugated web beam, technical documentation, Zeman & Co GmbH, Wien, Austria, 2007
• Kyzlík, P.: Požární odolnost nosníku s vlnitou stojinou, Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí, Praha, ČVUT, 2008, s. 14–15, ISBN 978-80-01-04107-9
• Prüfbericht Nr. 07040315, Institut für Brandschutztechnik und Sicherheitsforschung, Linz, Austria, 2007
• Wald F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT, Praha 2005, 336 s., ISBN 80-01-03157-8
• Kallerová P., Chlouba J., Wald F.: Požární zkouška v Mokrsku, Konstrukce, 2009, r. 8, č. 1, s. 8–13, ISSN 1213-8762
• Kyzlík P.: Budova pro požární experiment Mokrsko, projekt, EXCON a. s., Praha 2008

Beams with corrugated web during the fi re test in Mokrsko
The main objective of the fire test on one floor of an administrative building of size 12 to 18 m was the overall behaviour of the steel to concrete composite slab. On a quarter of the structure with area 6 to 9 m were applied the unprotected composite beams with corrugated web. The presented paper is focussed to the description of its performance by exposure to the elevated temperatures during fire. The article is following the information about the gas temperature development and its prediction during the Mokrsko fire test in Konstrukce no. 1 and 2/2009.

Autoři

• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Kallerová Petra
• Ing. Kyzlík Petr