Požární odolnost částečně chráněných ocelobetonových stropů

Při pokojové teplotě stropní deska přenáší zatížení ohybovou tuhostí, ale při velkých průhybech, které nastanou při požáru, se uplatní také tahové síly, kterým vzdoruje tlačený prstenec na okraji desky, která je po obvodě ve svislém směru volně uložena, viz obr. 1. Pro membránové působení desek je rozhodující průhyb konstrukce. Vliv požáru na chování konstrukce stropu je pozitivní, protože deska se za zvýšených teplot deformuje od teplotního gradientu a redukcí modulu pružnosti ocele, kromě průhybu od mechanického zatížení. Tažená membrána začne působit při průhybu o velikosti 0,4 – 0,5 násobku tloušťky desky. Výrazný vliv na únosnost se při membránovém působení získá při větším průhybu. Jednoduchá návrhová metoda dovoluje využít chování celé konstrukce a ponechat některé prvky nechráněné. Metodu lze použít v případě, že je deska obousměrně vyztužena, po celém obvodu kloubově podepřena a s poměrem stran do 1:2. Metoda počítá s rozvojem membránového působení desky.

MODELOVÁNÍ POKROČILÝM MODELEM
Možnosti modelování lze dokumentovat na požární zkoušce v Mokrsku, která byla kromě jiného také zaměřena na ověření přesnosti modelů konstrukčně složitého částečně chráněného stropu. Zkušební objekt představoval část jednoho podlaží administrativní budovy o rozměrech 18 × 12 m, viz (Kallerová a kol, 2009). 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, tj. průměrně 3,01 kN/m². 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. Požární zatížení administrativní budovy tvořily hranice z nehoblovaných latí z měkkého dřeva o průměrné hmotnosti 35,5 kg/m², které dávaly podle kalorimetrické zkoušky průměrně zatížení 514,75 MJ/m². Při návrhu administrativní budovy se uvažuje s charakteristickou hodnotou požární zatížení 420 MJ/m². Polovinu stropu objektu tvořila ocelobetonová deska 12 × 9 m nad prolamovanými požárně nechráněnými nosníky Angelina^© společnosti ArcelorMittal a čtvrtinu ocelobetonová deska nad požárně nechráněnými nosníky s vlnitou stojinou. Porušení stropu experimentálního objektu nastalo prolomením ocelobetonové desky nad prolamovanými nosníky v pravém zadním rohu objektu po ztrátě její únosnosti v tlaku v 62. min experimentu. Krajní nosník se na vzniklé volné části porušil klopením, viz (Wald a kol., 2010).

Pokročilý model experimentu byl připraven kolegy z University v Sheffieldu, viz (Abu a kol, 2009). K modelování chování jednotlivých prolamovaných nosníku za zvýšené teploty nosníku byl použit program ABAQUS, viz obr. 2. Programem byla stanovena náhradní tloušťka stojiny nosníku 4,13 mm, která dobře zohledňovala i smykové porušení nosníku s velkými otvory ve stojinách. Deformovaný tvar celého stropu ve 42 min, z analýzy programem VULKAN, který patří k jednomu z nejúčinnějších speciálních nástrojů na analýzu ocelových a betonových konstrukcí za požáru, je vidět na obr. 3. Požární odolnost stropu při zatížení parametrickou teplotní křivkou byla vypočtena na 45 min.

MODELOVÁNÍ JEDNODUCHÝM MODELEM
Při výpočtu jednoduchými analytickými návrhovými modely se požaduje, aby každý sloup byl připojen k požárně chráněnému nosníku. Tato zásada nebyla na experimentálním objektu v Mokrsku dodržena a výpočet dává pouze orientační hodnoty. Doporučení pro modelování deskového působení stropů s prolamovanými nosníky pro praxi se připravuje na základě experimentů a MKP modelů.

Pro modelování jednoduchým modelem byl využit programem FRACOF+, který používá upravený model SCI, viz (Bednář a kol), který nyní zohledňuje evropské návrhové normy a konstrukční zásady. Protože program uvažuje pouze s plnostěnnými nosníky, byly prolamované nosníky simulovány s náhradní tloušťkou stojiny. Podle výsledků výpočtu byla pro požární odolnost R60 při vystavení požáru, který byl modelován nominální normovou teplotní křivkou, únosnost desky překročena 1,25×. Při výpočtu pro parametrickou křivku byla přesažena 1,65× a pro při experimentu skutečně změřené teploty plynu 1,13×. Redukce únosnosti stropnic a nárůst únosnosti desky při zvyšování její teploty pro zatěžování stropu nominální normovou teplotní křivkou je dokumentována na obr. 4. Citlivost požárního návrhu na rozvoj teploty v požárním úseku dokumentují výstupy z programu pro namáhání parametrickou teplotní křivkou, viz obr. 5, kdy bylo únosnosti stropu při tomto zatěžování dosaženo již v 17. min požáru, zatím co pro zatěžování změřenou teplotou plynů při zkoušce v 42. min, viz obr. 6. Je vidět, že celková návrhová únosnost desky i nosníků je konzervativní, protože při experimentu s mechanickým zatížením 5,61 kN/m² se strop porušil v 62. min. Výpočtový model dále předpokládá, že vnitřní sloup je držen v rovině stropu požárně chráněným nosníkem. Požárně chráněné obvodové nosníky IPE 400 byly přetíženy asi 1,01 až 1,02 krát.

Metodika návrhu patrových ocelobetonových budov, která vychází ze zkoušek na osmipodlažní budově v Cardingtonu a na dalších objektech byla v posledních dvaceti letech rozpracována a je využívána v praxi, viz (SCI, 1992). Jednoduchý model byl experimentálně a numericky ověřen i v kontinentální části Evropy, viz (Bednář a kol, 2011). Pro řešení je připraven volně přístupný program podle Evropských návrhových požárních norem. Software umožňuje počítat částečně chráněný strop analytickým modelem pro požární zatížení podle nominální normové křivky, podle parametrické teplotní nebo obecné křivky, viz FRACOF+ na URL: fire.fsv.cvut.cz/fracof/index.htm.

Příspěvek shrnuje problematiku a vznikl v rámci práce na grantu MŠMT č. P105/10/2159 Modely membránového působení stropních desek vystavených požáru, který je zaměřen na modelování částečně požárně chráněných ocelobetonových a dřevobetonových desek s rozptýlenou výztuží.

ZDROJE INFORMACÍ:

• (Abu a kol, 2009) Abu A., Wong B., Block F., Burgess I., Structural fire engineering assessments of the Mokrsko fire tests, StiFF Forum, Sheffield, 2009.
• (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.
• (Kallerová a kol, 2009) Kallerová P., Chlouba J., Wald, F., Požární zkouška v Mokrsku, Konstrukce, 2009, roč. 8, č. 1, s. 8-13. ISSN 1213-8762.
• (SCI, 1992) Fire protection for structural steel in buildings. 2nd ed. revised. The Association of Specialist Fire Protection. Ascot: The Steel Construction Institute, 1992.
• (Štujberová, 2007) Štujberová M., Požiarna odolnosť spřáhnutých ocelobetonových stropných konstrukcií, dokt. práce, VŠTB, Bratislava 2007.
• (Wald a kol, 2009) Wald F., Štujberová M., Bednář J., Odolnost ocelobetonového stropu při požárním experimentu v Mokrsku, Konstrukce, 2009, roč. 8, č. 5, s. 11-14. ISSN 1213-8762.
• (Wald a kol, 2010) Wald, F. a kol., Fire Test on an Administrative Building in Mokrsko, Nakladatelství ČVUT v Praze, 2010, 152 s. ISBN 978-80-01-04571-8, URL: fire.fsv.cvut.cz/firetest_mokrsko.

Fire Resistance of Partially Protected Ceilings of Steel-Concrete
This contribution summarizes new knowledge in the design of steel and steel-concrete structures exposed to fire, leading to the fire protection of only those elements, which must be protected from the structural aspect and to use of the structure behaviour as a whole. Possibilities of modelling the partially protected ceilings in storey buildings of steel-concrete, using the advanced and simple design models, are shown. The results of last twenty years of research can be easily used in practice through publicly available software, which is prepared in the Czech language too.

Autoři

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