Ocelobetonová deska s rozptýlenou výztuží za požáru

• Foto

V první experimentální etapě projektu byly připraveny tři ocelobetonové desky o rozměru 3,0 m × 4,5 m, viz obr. 1. Dvě desky AMB-BE-1 and AMB-PL-1 byly zkoušeny za běžné teploty a deska ELE-BE-1za zvýšené teploty. Desky AMB-BE-1 a ELE-BE-1 byly vyztuženy ocelobetonovým nosníkem. Za běžné teploty zkoušená deska AMB-PL-1 byla bez nosníku. Deska tloušťky 40 mm byla betonována do trapézového plechu TR40/160/0,75. Beton byl vyztužen na 70 kg/m³ drátky 50 mm × 1 mm, pevnosti 1 100 MPa, která dosáhl při zkoušce krychlovou pevnost 46 MPa. Pevnost betonu v tahu 7,1 N/mm² byla stanovena ze zkoušky při čtyřbodovém ohybu na vzorcích velikosti 150 × 150 × 700 mm. Desky byly uloženy na ocelobetonovém
nosníku průřezu IPE 100 s průvlaky a obvodovými nosníky IPE 220. Spřažení zajišťovaly trny 70 mm Ø 12,5 mm po 300 mm. Spoj nosníku na průvlak byl kloubový pomocí čelní deky tloušťky 8 mm a čtyř šroubů M16. Za běžné teploty byly vzorky zatěžovány hydraulickými válci prostřednictvím čtyř trojúhelníkových prvků 0,75 m × 0,9 m. Za zvýšené teploty na vodorovné peci bylo zatížení desky vyvozeno břemeny, která byla uložena v obdobných místech a teplotou plynu podle nominální normové teplotní křivky.

Zkoušky za běžné teploty
Za běžné teploty byly na ověření dostatečné tažnosti desky a prověření případných odlišností v chování za zvýšené teploty od výztuže sítí navrženy zkoušky AMB-BE-1 a AMB-PL-1. Při zkoušce se deformace měřila jedenácti průhyboměry. Pět zachycovalo svislé deformace a šest vodorovné. Vzorek AMB-BE-1 se stropnicí měl průhyb při porušení 132 mm a vzorek AMB-PL-1 bez stropnice 162 mm. Velikost průhybu i tvar plastických linií odpovídal výpočtu jednoduchým modelem, ve kterém bylo pro vzorek AMB-BE-1 se stropnicí předpovězeno 141 mm a únosnost 29,5 kN/m². Na vzorcích po zkoušce je dobře vidět vývoj lomových plastických čar při pohledu na desku shora, viz obr. 3, i zdola, viz obr. 4.

Stropní deska se v obou případech porušila trhlinami napříč rozpětí. Při armování výztužnou sítí bylo toto porušení pozorováno na málo vyztužených deskách s kvalitním betonem a dokládá rozvinutí membránového působení. V rozích se podle předpokladů vytvořily trhliny v oblasti záporných ohybových momentů. Deska se vlivem úplného spřažení trny nemůže volně deformovat. Další trhliny se vyvinuly podél obvodových nosníků. Trhliny byly v dolní části zavřené a neporušily integritu stropu. Zkoušky ukázaly na možnost náhrady výztužné sítě rozptýlenou výztuží. Na horním povrchu desky a na jejím příčném řezu při její demolici bylo dobře vidět zcela rovnoměrně rozmístění drátků po objemu desky.

Zkouška za zvýšené teploty
Chování ocelobetonové desky ELE-BE-1 na vodorovné peci bylo sledováno 40 termočlánky a 13 průhyboměry. 30 termočlánků bylo zabetonováno do desky, čtyři umístěny na stropnici a šest měřilo teplotu plynů v peci. Sedm průhyboměrů sledovalo svislé a šest vodorovné průhyby. Celistvost desky se porušila v 75 min, kdy se vytvořila příčná trhlina na celou tloušťku desky, což se při návrhu obvykle považuje za mezní únosnost. Ke zřícení desky do pece došlo až rozvojem podélné trhliny, viz obr. 5, v 198 min. zkoušky. Průhyb dosáhl 300 mm, tj. desetiny rozpětí. Nechráněný přípoj stropnice na průvlak zůstal při kolapsu neporušený. Membránové působení se potvrdilo vytvořením tažené a tlačené oblasti, které se projevilo popraskáním desky v rozích, viz obr. 6, a porušením spřažení na kraji nosníků vytržením kužele betonu.

Přesnost předpovědního modelu
Jednoduchý předpovědní model uvažuje se dvěma tvary porušení, viz (Bailey a Moore, 2000 a). První představuje porušení desky příčnou trhlinou po celé její výšce v jejím středu. Druhé, porušení podrcení betonu tenké ocelobetonové desky v její tlačené oblasti, bylo pozorováno jen u silně vyztužených desek. Porušení závisí na pevnosti betonu, stupni vyztužení a tažnosti výztuže. Pro návrh jednoduchou metodou SCI upravený pro návrh podle požárních Eurokódů se deska dělí na čtyři části, ve kterých se tvoří plastické lomové čáry. Předpokládá se, že části mimo lomové čáry jsou v pružném stavu.

Teplota v desce se pro jednoduchý model předpovídá diferenciální metodou, viz (Bailey a Moore, 2000 b) a (Bednář a kol, 2011). Její hodnota zásadně ovlivňuje únosnost ocelobetonového stropu. Na jedné straně zvýšená teplota přináší degradaci materiálových vlastností, ale na druhé přispívá k únosnosti stropu zvýšením průhybu teplotním spádem po její výšce. Z rozdílu teplot po výšce lze usuzovat na průhyb ve středu desky pomocí vztahu



kde α je součinitel tepelné roztažnosti, θ2 teplota dolního povrhu desky, θ1 teplota horního povrchu desky, l menší rozpětí desky, h tloušťka desky a součinitel vlivu rozdělení teploty po desce se uvažuje hodnotou 2,4. Při zkoušce na vodorovné peci je teplota desky homogenní a součinitel dosahuje hodnoty 1,4. Rozvoj teploty v desce je ukázán na obr. 8. Při porovnání vypočítaných a změřených teplot je vidět, že výpočet teploty je konzervativní.

V doporučení SCI, viz (SCI, 2006), se pro praktický návrh desky tažnost výztužné sítě zavádí omezením průhyb desky na dvacetinu rozpětí. Na začátku zahřívání desky, v 5. min. na 32 mm se do dosažení membránového působení zvýšil výrazně její průhyb, viz obr. 9, i vodorovné deformace. Teplota požárně nechráněné stropnice v té době dosáhla 650 °C a její únosnost se snížila na 37 %. Po aktivaci membránového působení se únosnost stropní desky zvýšila. Experimentálně stanovené tažnost betonu s rozptýlenou výztuží byla poměrně malá 1,7 %, viz (Suhaendi a Horiguchi, 2006) a (Krátký a kol., 1999). Po vytvoření trhliny napříč desky v jejím středu se únosnost výrazně nezměnila.

Shrnutí
Zkoušky potvrdily dostatečnou tažnost ocelobetonové desky s rozptýlenou výztuží, která umožní vytvoření plné membránové působení. Výpočtem předpokládaná odolnost a celistvost desky RI60 byla při experimentu 75 min. Odolnost byl vypočítaná na R120 a kolaps nastal v 195. min. zkoušky. Práce na projektu jsou v tomto roce zaměřeny na chování desky vyztužené drátky 18 kg/m³ a na pokročilé modelování.

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

Zdroje informací:

• (Bailey a Moore, 2000a) Bailey C. G. and Moore D. B.: The structural behaviour of steel frames with composite floor slabs subjected to fire: Part 1: Theory, The Structural Engineer, 2000
• (Bailey a Moore, 2000b) Bailey C. G. and Moore D. B.: The structural behaviour of steel frames with composite floor slabs subjected to fire: Part 2: Design, The Structural Engineer, 2000
• (Bednář a kol, 2011) Bednář, J., Wald, F., Zhao, B., Vassart, O.: Požární odolnost částečně chráněného ocelobetonového stropu, Nakladatelství ČVUT v Praze, 2011, 120 s., ISBN 978-80-01-04747-7, URL: fire.fsv.cvut.cz/fracof/index.htm
• (Krátký a kol, 1999) Krátký J., Trtík K., and Vodička J.: Commentary and Examples to Steel Fibre Reinforced Concrete Structures Directive, 1999
• (SCI, 2006) Fire Safe Design: A new approach to multi-storey steel framed buildings, P288, The Steel Construction Institute, 2006.
• (Suhaendi a Horiguchi, 2006) Suhaendi, S. L. and Horiguchi, T.: Effect of short fibres on residual permeability and mechanical properties of hybrid fibre reinforced high strength concrete after heat exposition, Cement and Concrete Research, Vol. 36, Issue 9, pp. 1672–1678, 2006

Slab of Steel-Concrete with Dispersed Reinforcement in Fire
Load-carrying capacity of ceiling slab of steel-concrete at normal temperature is traditionally determined from the load-carrying capacity of its parts, i.e. sheet-concrete slab, joists and girders. At increased temperatures during the fire, one can take into account the elements or ceiling as a whole and use its load-carrying capacity at high flexure. Composite steel-concrete structures are increasingly reinforced by dispersed reinforcement. The project of the Grant Agency of the Czech Republic focuses on the fire resistance of steel-concrete and timber-concrete ceilings. This contribution describes the first stage of the project – verification of the ceiling ductility with dispersed reinforcement under normal and increased temperatures.

Autoři

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