Požární odolnost přípojů při zkouškách ve Veselí nad Lužnicí

Požární návrh konstrukce vychází ze zkoušek jednotlivých prvků, při kterých je chování přípojů většinou zanedbáno. Přípoje mají během požáru nižší teplotu než přiléhající konstrukce, což je způsobeno koncentrací materiálu v oblasti přípojů, a jsou opatřeny obdobnou tloušťkou požární ochrany jako přiléhající prvky.

Během zahřívání i ochlazování jsou přípoje vystaveny silám, na které nebyly navrženy, což se při pokročilém návrhu zohledňuje. Chování přípojů je založeno na změně mechanických vlastností materiálu a vzájemné interakci mezi jejich jednotlivými částmi. K určení degradace mechanických vlastností je třeba stanovit teplotní pole, které lze následně využít v metodě komponent.

Norma ČSN EN 1993-1-2 uvádí dvě metody pro předpověď teploty přípojů. Podle první metody lze teplotu přípoje nosníku na sloup a nosníku na nosník, kde nosník nese jakoukoliv betonovou stropní konstrukci, stanovit z teploty dolní pásnice nosníku ve středu jeho rozpětí. Druhá metoda je založena na tzv. koncentrované hmotě a teplotu přípoje lze stanovit pomocí součinitelů průřezu A_m/V jednotlivých částí tvořících přípoj. Numerické a experimentální práce ukazují, že pro dosažení přijatelně přesného popisu chování přípojů za požáru je třeba předpověď teploty přípojů zpřesnit.

Skutečné rozložení teplot v konstrukci lze stanovit jen zkouškou na skutečném objektu. Proto byly součástí evropského projektu COMPFIRE, grantu RFCS výzkumu Evropského sdružení pro uhlí a ocel, dvě požární zkoušky na dvoupodlažním objektu s realistickými požárními scénáři. Zkoušky umožnily získat rozvoj teplot v přípojích pomocí U profilu a čelní desky a v přípojích deskou na stojinu. V obou případech byly vyšetřovány přípoje ocelobetonových spřažených nosníků na ocelobetonové sloupy kruhového průřezu.

Při vystavení částečně požárně chráněné ocelové/ocelobetonové konstrukce vysokým teplotám během požáru nesmějí být přípoje kritickou částí konstrukce. Požární ochranou přípojů požárně nechráněných nosníků se sníží přestup tepla do přípojů. Teploty během požáru dosáhnou významně nižších hodnot v porovnání s teplotami požárně nechráněných přípojů. Proto byly vybrané přípoje na experimentálním objektu požárně ochráněny stříkanou omítkovou směsí.

UMÍSTĚNÍ A GEOMETRIE PŘÍPOJŮ, POŽÁRNÍ OCHRANA
Dvoupodlažní konstrukce měla půdorysné rozměry 10,4 × 13,4 m a výšku 9 m. Ocelobetonové stropy z trapézového plechu, betonové desky a prostě uložených nosníků průřezů IPE byly uloženy na průběžné ocelobetonové sloupy kruhového průřezu a na ocelové sloupy průřezu HEB. Plášť byl navržen jako skládaný. Požární zatížení bylo tvořeno hranicemi z dřevěných hranolů o vlhkosti 12 %. Ventilaci při každé zkoušce zajistil okenní otvor velikosti 5 × 2 m.

Přípoje byly navrženy podle normy ČSN EN 1993-1-8 na smykovou sílu při běžné teplotě v souladu s evropskými doporučeními ECCS a SCI/BCSA. Nosník s ocelovým profilem IPE 220, IPE 270 nebo IPE 330 byl vždy připojován na ocelobetonový sloup kruhového průřezu TR245/8. U profil v přípojích byl tvořen standardizovaným válcovaným profilem UPE-DIN či ohýbaným plechem tl. 8 mm. Tloušťka čelních desek a desek na stojinu byla ve všech případech 8 mm. Velikost šroubů M12, M16, či M20, korespondovala s velikostí profilu připojovaného nosníku. V tab. 1 je shrnuto uspořádání přípojů, na kterých byl sledován teplotní profil během požárních zkoušek.

V 2. NP při první požární zkoušce byly požární ochranou o navržené tl. 20 chráněny přípoje dvou vnitřních nosníků o rozpětí 9 m, příhradová ztužidla a sloupky opláštění. V 1. NP při druhé požární zkoušce byly opatřeny požární ochranou o navržené tl. 60 mm přípoje krátkých nosníků s rozpětím 3 m, příhradová ztužidla, sloupky opláštění, rohové nosné sloupy a obvodové nosníky. Jako požární ochrana byl v obou případech použit nástřik PROMASPRAY F250 ze směsi minerálních vláken a cementového pojiva. Umístění sledovaných přípojů a uspořádání požární ochrany je znázorněno na obr. 1 a 2.

První požární zkouška v 2. NP měla charakter putujícího požáru bez prostorového vzplanutí, vývoj teploty plynů při druhé požární zkoušce v 1. NP odpovídal požárnímu scénáři s prostorovým vzplanutím v úseku běžné administrativní budovy. Hlavním cílem požárních zkoušek bylo sledování přestupu tepla do ocelobetonové konstrukce a následné stanovení vzájemného ovlivnění požárně nechráněných a chráněných částí konstrukce. Teplota konstrukce a plynu v požárním úseku byla při obou zkouškách měřena cca 120 plášťovými termočlánky, sedmi deskovými snímači teploty a třemi termokamerami. Níže jsou uvedeny typické příklady rozdělení teplot po přípojích s U profilem během první i druhé požární zkoušky.

TEPLOTY POŽÁRNĚ NECHRÁNĚNÝCH PŘÍPOJŮ
Přípoj nosníku na sloup s U profilem (B2-C2 na B2) při první požární zkoušce
Přípoj třímetrového nosníku na vnitřní sloup byl ponechán bez požární ochrany a teplotní profil měřilo celkem šest plášťových termočlánků. Termočlánek TC13 byl umístěn do poloviny výšky stojiny nosníku 100 od čelní desky, termočlánek TC14 měřil teplotu v horním šroubu, TC15 ve spodním šroubu, TC16 v polovině výšky čelní desky, TC17 v polovině výšky pásnice U profilu a TC18 měřil teplotu ocelové trubky sloupu 50 mm od svaru U profilu, viz obr. 3.

Na obr. 4 jsou teploty naměřené v jednotlivých částech přípoje porovnány s teplotou spodní pásnice nosníku uprostřed jeho rozpětí a s teplotou plynu. Z obrázku patrné, že teploty v přípoji byly znatelně nižší než teplota spodní pásnice nosníku a dále se významně snižovaly směrem od připojovaného nosníku ke sloupu, což ukazuje pozitivní vliv velké tepelné kapacity betonu ve sloupech na snížení teplot jednotlivých komponent požárně nechráněného přípoje.

Přípoj nosníku na sloup s U profilem (A2-B2 na B2) při druhé požární zkoušce
Požárně nechráněný přípoj devítimetrového nosníku na sloup v 1. NP byl osazen sedmi termočlánky. Termočlánek TC56 byl umístěn do poloviny výšky stojiny nosníku 150 mm od čelní desky, TC57 do horního šroubu, TC58 do spodního šroubu, TC59 do poloviny výšky čelní desky mezi šrouby, termočlánky TC60 a TC61 do poloviny výšky U profilu a termočlánek TC101 měřil teplotu ve svaru mezi U profilem a trubkou sloupu, viz obr. 5.

Teplotní profil přípoje s U profilem během druhé požární zkoušky je na obr. 6. Změřené maximální teploty jednotlivých komponent přípoje se opět výrazně snižují směrem k ocelobetonovému sloupu podobně jako u přípoje z první požární zkoušky a jsou zároveň nižší než teplota spodní pásnice připojovaného nosníku uprostřed rozpětí.

TEPLOTY POŽÁRNĚ CHRÁNĚNÝCH PŘÍPOJŮ
Přípoj nosníku na sloup s U profilem (A2-B2 na B2) při první požární zkoušce
Požárně chráněný přípoj nosníku na vnitřní sloup v 2. NP je na obr. 7. Rozmístění termočlánků je obdobné jako v předchozích případech: termočlánek TC6 zaznamenával teplotu uprostřed výšky stojiny nosníku 150 mm od čelní desky, TC7 ve spodní pásnici nosníku 150 mm od čelní desky, TC8 v horním šroubu, TC9 ve spodním šroubu, TC10 byl osazen do poloviny výšky čelní desky mezi šrouby a termočlánky TC11 a TC12 byly v polovině výšky pásnic U profilu. Přípoj a krátký úsek připojovaného nosníku byly po osazení termočlánků požárně chráněny stříkanou omítkovou směsí v délce 250 mm od okraje sloupu. Skutečná tloušťka požární ochrany se pohybovala mezi 20 až 60 mm.

V požárně chráněném přípoji, kdy je teplo do oceli přiváděno pouze z nechráněných částí konstrukce a také vedením přes požární ochranu, jsou teploty při srovnatelné teplotě plynu v požárním úseku i teplotě spodní pásnice připojovaného nosníku přibližně o 300 °C nižší než v odpovídajícím nechráněném přípoji. Teplotní profil požárně chráněného přípoje s U profilem je na obr. 8.

Přípoj nosníku na sloup s U profilem (B2-C2 na B2) při druhé požární zkoušce
V přípoji třímetrového nosníku na ocelobetonový sloup byla teplota monitorována pěti termočlánky. Termočlánek TC62 byl umístěn ve stojině nosníku 150 mm od čelní desky, TC63 v horním šroubu, TC64 ve spodním šroubu, TC65 v čelní desce mezi šrouby a termočlánek TC66 v pásnici U profilu. Schéma požární ochrany včetně lokálně naměřených tlouštěk nástřiku a umístění termočlánků je zobrazeno na obr. 9.

Teploty změřené v požárně chráněném přípoji s U profilem během druhé požární zkoušky znázorňuje obr. 10. Při porovnání s teplotami v obdobném přípoji bez požární ochrany vyplývá, že aplikovaný nástřik v průměrné tloušťce 60 mm dokázal snížit teploty v přípoji cca o 400 °C.

ZÁVĚR
Rozložení teploty ovlivňuje chování konstrukce především změnou mechanických vlastností materiálů. Degradaci vlastností lze popsat redukčními součiniteli, které vyjadřují poměr mezi hodnotou meze kluzu/pevnosti za běžné teploty a za zvýšené teploty při požáru.

Obr. 11 ukazuje redukční součinitele meze kluzu/pevnosti komponent přípoje s U profilem na základě naměřených teplot během druhé požární zkoušky. Na obrázku je vidět významné snížení redukce mechanických vlastností přípoje s požární ochranou na rozdíl od přípoje přímo vystaveného požárním podmínkám. Například ve 45. min je hodnota redukčního součinitele vypočítaná na základě naměřené teploty spodního šroubu v nechráněném přípoji 16 %, kdežto v chráněném přípoji je vypočítaná hodnota redukčního součinitele 97 %. Takto lze využít membránové působení ocelobetonového stropu za vysokých teplot, aniž by byla jeho únosnost omezena požární odolností přípoje.

Příspěvek byl vypracován za podpory grantů RFCS COMPFIRE, Návrh přípojů na ocelobetonové sloupy se zvýšenou požární odolností a SGS12/122/OHK1/2T/11, Modelování částečně chráněných konstrukcí za požáru.

ZDROJE INFORMACÍ:

• Jána T., Wald F., Jirků J., Zíma P., Požární zkoušky na dvoupodlažní experimentální budově, Konstrukce, 2011, roč. 10, č. 6, s. 57–59, ISSN 1213-8762
• Horová K., Jána T., Wald F., Modelování požáru ve Veselí nad Lužnicí, Konstrukce, 2012, roč. 11, č. 1, s. 43–45, ISSN 1213-8762
• Bednář J., Jána T., Wald F., Částečně chráněný strop při požární zkoušce ve Veselí n. L., Konstrukce, 2012, roč. 11, č. 2, s. 69–71, ISSN 1213-8762
• Wald F., Jána T., Horová K., Design of joints to composite columns for improved fire robustness – to demonstration fire tests, Česká technika – nakladatelství ČVUT, 2011, 26 s., ISBN 978-80-01-04871-9
• ČSN EN 1993-1-2: 2006 Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006
• ČSN EN 1993-1-8: 2006, Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-8: Navrhování styčníků, ČNI, Praha, 2006
• Jaspart J.P., Demonceau J.F., Renkin S., Guillaume M.L., European Recommendations for the Design of simple Joints in Steel Structures, ECCS Publ. 126, 90 s., ISBN: 92-9147-000-95
• Joints in steel construction: Simple connections, SCI P212, London, 2002

Fire Resistance of Connections During the Tests in Veselí nad Lužnicí
The fourth article about fire tests on experimental building in Veselí nad Lužnicí in September 2011 describes the development of temperatures in connections by using U-sections and head plate and in connections with plate on the main leg. Connections protected against fire as well as not protected connections of steel- concrete piers with circular section are involved.

Autoři

• Ing. Jána Tomáš
• Ing. Jirků Jiří
• Prof. Ing. Wald František CSc.