Odolnost ocelobetonového stropu při požárním experimentu v Mokrsku

• Foto

ANALYTICKÝ MODEL
Experimenty a požáry na skutečných budovách ukázaly, že ocelobetonová deska s hladkou výztuží přenáší při velkých deformacích většinu zatížení membránovým působením, viz [1]. Únosnost stropní konstrukce se skládá z únosnosti ocelobetonového nosníku a desky. Na začátku zahřívání působí pouze ocelobetonový nosník, viz obr. 1, kde je pro názornost nakreslen pouze jeden. Při ohřevu nosníku klesá jeho ohybová tuhost a narůstají deformace. Ve středu nosníku vzniká plastický kloub. Je vidět, že při dalším zahřívání se v desce tvoří liniové klouby. Při velkých deformacích je membránové působení výrazné a přebírá většinu zatížení. K porušení desky dochází vytvořením trhlin ve směru kratšího rozpětí desky a přetržením výztuže. Pro návrh se využívají modely MKP, např. pomocí programu VULCAN, viz [2], a zjednodušené analytické modely, např. silovou metodou, viz [3], nebo upravenou deskovou rovnicí.

Pro analytický popis membránové napjatosti v desce byla odvozena silová metoda. Nejprve se vypočte únosnost ocelobetonového nosníku za zvýšené teploty, např. podle [1]. Tvar porušení desky v liniových kloubech se stanoví podle požárního úseku pod deskou. Průhyb desky se určí pro deformaci od účinků zatížení, které již nepřenáší nosník, viz obr. 1. Únosnost závisí na tvaru liniových kloubů a na únosnosti desky v těchto kloubech, respektive na deformační kapacitě a únosnosti výztuže v tahu. Ohybová únosnost desky na jednotku délky lze předpovědět jako:

(1),

kde p_pl,fi je účinek rovnoměrného zatížení přenášený deskou za požáru, L a l rozpětí desky. Experimenty ukázaly, že se deska při porušení deformuje z velké části v oblasti trhlin. Při návrhu se poměrná deformace omezuje uvažováním pouze poloviční hodnoty meze kluzu, 0,5 f_y, viz [3]. Z průhybu w lze za předpokladu deformace desky ve tvaru paraboly stanovit délku oblouku:
 

(2).

Pro plochý oblouk lze poměrné přetvoření ve výztuži odhadnout jako:

(3)

(4)

Ohřev desky zvyšuje její průhyb a tím se snižují membránová napětí:

(5),

kde Δl/l je součinitel teplotní roztažnosti, ø2 teplota spodního povrchu desky, ø1 teplota horního povrchu desky a h je tloušťka desky. Součinitelem ß = 2,4 se ve výpočtu konzervativně zohledňuje, že se deska po ploše nezahřívá rovnoměrně.

DESKA NAD PROLAMOVANÝMI NOSNÍKY V MOKRSKU
Zkušební objekt v Mokrsku představoval část jednoho podlaží administrativní budovy o rozměrech 18 × 12 m. Ocelobetonová deska nad prolamovanými nosníky byla navržena nad stropem 9 × 12 m a nad nosníky s vlnitou stojinou nad 9 × 6 m, viz obr. 1 [4]. Mechanické zatížení bylo navrženo pro běžnou administrativní budovu, ve které se proměnné zatížení pohybuje v rozmezí 2,5 až 3,5 kN/m². Vlastní tíha zkoušené ocelobetonové konstrukce dosáhla 2,6 kN/m². Při zkoušce bylo proměnné zatížení vyvozeno 78 pytli se štěrkem hmotnosti 793 kg až 1.087 kg, viz obr. 2. Na ocelobetonové desce byly pytle umístěny na paletách. Jejich hmotnost byla ověřena vážením kalibrovaným tenzometrickým můstkem při jejich ukládání, při kterém byly ve skupinách rozloženy tak, aby se dosáhlo rovnoměrného zatížení 900 kg. Při mezním stavu na mezi únosnosti za běžné teploty by zatížení v charakteristických hodnotách odpovídalo proměnnému zatížení 3,0 kN/m² a zatížení podlahami a příčkami 1,0 kN/m², viz [4].

Požární zatížení administrativní budovy představovaly nehoblované latě rozměrů 50 × 50 × 1.000 mm z měkkého dřeva. Na půdorysné ploše požárního úseku bylo rovnoměrně rozmístěno 50 hranic o objemu dřevní hmoty 15 m³. Každá hranice obsahovala 12 řad po 10 latích, celkem 120 latí, tj. asi 35,5 kg/m² dřeva. Při návrhu administrativní budovy se uvažuje s charakteristickou hodnotou požárního zatížení 420 MJ/m². Navržené množství paliva tak přesáhlo o asi 50 % charakteristické požární zatížení.

Polovinu stropu objektu tvořila ocelobetonová deska 12 × 9 m nad prolamovanými požárně nechráněnými nosníky a čtvrtinu ocelobetonová deska nad požárně nechráněnými nosníky vlnitou stojinou. Pro dostatečně tažnou výztuž a vhodnou volbu okrajových podmínek lze uvažovat se zvýšením únosnosti ocelobetonové desky vlivem membránového působení při velkých průhybech desky za vysokých teplot při požáru. Pro účely zjednodušené metody byly teploty v desce vypočteny pomocí diferenční metody z teploty plynu i její předpovědi, viz obr. 3. Vliv vlhkosti betonu byl zohledněn změnou měrné tepelné kapacity betonu mezi 100 a 200 °C. Teplotní gradient změřený v ocelobetonové desce je dokumentován na obr. 4. Porovnání výpočtu teploty v desce a změřených hodnot podle [5] s uvažováním vlivu vlhkosti ukazují na konzervativnost předpovědi, která je dobrá až po plném rozhoření požáru v cca 50 min., což pro návrh postačuje, viz obr. 5.

Ve zjednodušeném výpočtu lze prolamované nosníky modelovat uvažováním pouze pásnic. Únosnost desky včetně prolamovaných nosníků za běžné teploty byla stanovena jako pfi,d = 7,9 kN/m². Zjednodušený výpočet je založen na stanovení průhybů, které jsou nutné na vznik membránového působení. Jeho hodnoty jsou na obr. 6 porovnány se změřenými hodnotami. Největší průhyb byl vypočítán z deformační kapacity výztuže jako 712 mm, což zkouška potvrdila. Porušení stropu experimentálního objektu nastalo prolomením ocelobetonové desky nad prolamovanými nosníky v pravém zadním rohu po ztrátě její únosnosti v tlaku v 62. min. experimentu, viz obr. 7. Krajní nosník se na vzniklé volné části porušil klopením. Vlivem otrýskání horní části železobetonového sloupu došlo k odhalení kotvení průvlaku, viz obr. 8. Při poruše krajního nosníku byl přípoj průvlaku na sloup namáhán na kroucení, kterým se porušil, viz obr. 9.

SHRNUTÍ
Požární zkouška prokázala, že chování konstrukce vystavené požáru jako celku lze využít a zvýšit ekonomii řešení. Podařilo se dosáhnout kolapsu ocelobetonové desky a ověřit její návrhové modely a prokázat požární odolnost R60 použitých konstrukčních prvků a pláště objektu, viz obr. 10 a více na URL: www.fire.fsv.cvut.cz/firetest_Mokrsko.  K porušení ocelobetonové desky nad nosníky s vlnitou stojinou nedošlo.

Práce vznikla za podpory výzkumného záměru č. MŠM 6840770005.

LITERATURA:
[1] Wald, F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT, Praha 2005, 336 s., ISBN 80-01-03157-8
[2] Foster, S., Chladná, M., Hsieh, C., Burgess, I., Plank, R.: Thermal and structural behaviour of a full-scale composite building subject to a severe compartment fire. Fire Safety Journal; vol. 6(10), 2006
[3] Bailey, C. G., Moore, D. B.: The structural behaviour of steel frames with composite floors slabs subject to fire – part 1 theory. Struct Eng, Vol. 78 (11), s. 19–27, 2000
[4] Kallerová, P., Chlouba, J., Wald, F.: Požární zkouška v Mokrsku, Konstrukce. 2009, 8, č. 1, s. 8–13
[5] Kallerová, P., Wald F.: Vyhodnocení požární zkoušky na experimentálním objektu v Mokrsku Materiály pro stavbu. 2009, 15., č. 1, s. 16–19
[6] Kallerová, P., Wald, F. Sokol, Z.: Modelování teploty při požární zkoušce v Mokrsku, Konstrukce. 2009, 8, č. 2, s. 8–13, ISSN 1213-8762
[7] Karpaš, J., Zoufal, R.: Požární odolnost ocelových a železobetonových konstrukcí. Zabraňujeme škodám, Svazek 28, Česká státní pojišťovna, Praha 1989

Resistance of steel-concrete ceiling during fire experiment in Mokrsko
Resistance of steel-concrete ceiling above the fire unprotected castellated beams was tested by the fire test in Mokrsk which took place on September 18, 2008 in Mokrsk under the guidance of the employees of the Department of Steel and Timber Structures of the Faculty of Civil engineering of CTU in Prague. The reliability of the steel-concrete structure during fire is given by the fire resistance of its board and steel-concrete beam, and the ceiling may be used as a whole, which is higher with the designed construction than with the individual elements. The behaviour models of the steel-concrete ceiling under high temperatures during fi re are based on experiments on real structures as well as in laboratories.

Autoři

• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Bednář Jan
• Doc. Ing. Štujberová Magdalena PhD.