Požární zkoušky na dvoupodlažní experimentální budově

• Foto

Evropské požární návrhové normy umožňují dobrou předpověď chování jednotlivých konstrukčních prvků za zvýšených teplot, návrhové postupy však vychází z výsledků zkoušek v laboratorních podmínkách. Ověřit chování nosné konstrukce jako celku lze požárními zkouškami na modelu skutečné konstrukce. Zkoušky na dvoupodlažní administrativní budově navazují na sedm velkých požárních experimentů budov s ocelobetonovou, betonovou a dřevěnou nosnou konstrukcí v Cardingtonu ve Velké Británii, na experiment na budově čpavkovny v Ostravě v roce 2006 a na zkoušku podlaží ocelobetonové administrativní budovy v Mokrsku v roce 2008. Hlavním cílem evropského projektu COMPRIFIRE, grantu RFCS výzkumu Evropského sdružení pro uhlí a ocel, je návrh požárně spolehlivé ocelobetonové konstrukce budovy. České vysoké učení v Praze se v projektu orientovalo na přestup a vedení tepla v konstrukci, DESMO, a. s. na návrh a výrobu zkušební konstrukce, Technická universita v Luleå na návrh komponentů přípojů, Tata Steel Europe na využití uzavřených průřezů a aplikaci výsledků, Universita v Manchesteru na modelování přestupu a rozvoje tepla, Universita v Sheffieldu na modely přípojů a Universita v Coimbře na harmonizaci prací a ověření chování rámů. Zkoušky na objektu byly připraveny ve spolupráci s MV GŘ HZS ČR, PAVUS, a. s., ÚTAM AV ČR, v. v. i., TÚPO a VŠB UO. Na výstavbě experimentálního objektu se podíleli pracovníci z ARCHaPLAN, s. r. o., ArcelorMittal Construction CZ, s. r. o., Hilti ČR, spol. s r. o., Kovové profily, spol. s r. o., Metrostav, a. s., Morávek CZ, s. r. o., Promat, s. r. o., HARSCO Infrastructure CZ, s. r. o., ROCKWOOL, a. s., a SKÁLA & VÍT, s. r. o. Projekt je zaměřen na únosnost, tuhost, deformační kapacitu a požární odolnost přípoje ocelobetonového nosníku na ocelový sloup z dutého průřezu, který je vyplněn betonem. Chování přípojů se v projektu řeší experimentálně, numericky a analyticky. Cílem je vývoj spolehlivějšího ekonomického přípoje, který usnadní spolehlivý a ekonomický návrh ocelobetonové konstrukce na zvýšené teploty při požáru.

EXPERIMENTÁLNÍ OBJEKT
Dvoupodlažní objekt o půdorysných rozměrech 10,4 × 13,4 m a výšky 9 m s ocelobetonovou nosnou konstrukcí představoval část typické administrativní budovy, viz obr. 1. Obvodový plášť tvořilo osm druhů stěnových skládaných a sendvičových konstrukcí, jejichž podrobný popis lze nalézt v [1]. V každém podlaží byl umístěn jeden okenní otvor bez skleněné výplně.

Nosná konstrukce byla navržena na užitné zatížení 3 kN/m², zatížení podlahami 0,5 kN/m² a zatížení přemístitelnými příčkami 0,5 kN/m², vše v charakteristických hodnotách. Vlastní tíha stropní konstrukce měla charakteristickou hodnotu 2,51 kN/m². Spřažené ocelobetonové stropní desky byly tvořeny trapézovými plechy Cofraplus 60, tj. výšky 60 mm, a betonem třídy C30/37 s nadbetonávkou výšky 60 mm u spodní desky resp. 50 mm u horní desky. V desce nad spodním podlažím byla použita výztuž kari sítí 5/100/100 mm s pevností 420 N/mm². Deska byla spřažena s ocelovými nosníky spřahovacími trny. Deska nad horním podlažím byla vyztužena rozptýlenou výztuží 30 kg/m³ s drátky průměru 1 mm a délky 60 mm s průměrnou pevností v tahu 1 450 N/mm². Tato deska byla spřažena s nosníky nastřelenými kotvami Hilty X-HVB. Střední nosníky pod stropními deskami byly profilu IPE 270, krajní nosníky profilu IPE 240. Nosníky byly uloženy na sloupy z ocelových uzavřených profilů TR 245/8 vyplněných betonem C30/37 a sloupy z otevřených profilů HEB 200. Vodorovná tuhost budovy byla zajištěna dvěma příhradovými ztužidly v každém směru. Na ocelové prvky byla použita ocel S355.

Pro přípoje nosníků na sloup a nosníků na nosníky byly použity přípoje deskou na stojinu a přípoje U profilem a čelní deskou se šrouby třídy 8.8. Přípoje byly navrženy podle EN 1993-1-8, viz [2], na smykovou sílu při běžné teplotě v souladu s evropskými doporučeními ECCS a SCI/BCSA, viz [3] a [4]. Schéma jednoho ze zkoušených přípojů je na obr. 2.

Obvodové nosníky byly požárně chráněny nástřikem PROMASPRAY F250 ze směsi minerálních vláken a cementového pojiva. V 2. NP byly nástřikem tl. 20 mm požárně chráněny přípoje dvou vnitřních nosníků na rozpětí 9 m, mezi osami A a B, příhradová ztužidla a sloupky opláštění. V 1. NP byly opatřeny požární ochranou tl. 60 mm přípoje krátkých nosníků s rozpětím 3 m, ztužidla, sloupky opláštění, rohové sloupy a všechny okrajové nosníky. Výstavba a příprava zkušebního objektu probíhala od března do července roku 2011, viz obr. 3 až 6.

POŽÁRNÍ ZKOUŠKA V HORNÍM PODLAŽÍ
První požární zkouška proběhla 6. září 2011 v horním podlaží experimentálního objektu. Jejím hlavním cílem bylo sledování přestupu tepla do ocelové konstrukce během šířícího se požáru. Požární zatížení bylo simulováno hranicemi z dřevěných latí o rozměrech 50/50/1 000 mm. Smrkové dřevo mělo vlhkost 12 %. Všech 24 hranic, které tvořilo šest vrstev po sedmi latích, tj. 42 latí v jedné hranici, bylo umístěno těsně k sobě. Celkový objem dřevní hmoty paliva byl 2,52 m³, což odpovídá 9,9 kg/m2 dřeva. Množství použitého požárního zatížení odpovídalo hodnotě 173,5 MJ/m². Přívod vzduchu zajišťoval okenní otvor o rozměrech 2 × 5 m s parapetem výšky 1,2 m. Rovnoměrné zapálení dřevní hmoty při jižní fasádě objektu umožnil tenkostěnný U profil vyplněný minerální vatou napuštěnou petrolejem. Požár se poté v interiéru šířil od jižní k severní straně požárního úseku a jeho průběh i rozvoj teplot plynů,
maximální teplota 979 °C v 26. min, odpovídaly předpokladům. Mechanické zatížení, kromě vlastní tíhy konstrukce, nebylo pro první požární zkoušku aplikováno.

POŽÁRNÍ ZKOUŠKA VE SPODNÍM PODLAŽÍ
Druhá požární zkouška ve spodním podlaží objektu, viz obr. 8, se uskutečnila 15. září 2011. Kromě sledování přestupu tepla do ocelové konstrukce bylo ověřováno i mechanické chování přípojů během vystavení vysokým teplotám při požáru. Nechráněná ocelová konstrukce se při zahřívání roztahuje a při chladnutí smršťuje. V prostoru požárního úseku bylo pravidelně rozmístěno 28 hranic dřeva, každá s jedenácti vrstvami po 10 latích. Celkový objem dřevní hmoty činil 7,65 m3, tj. 30,1 kg/m², což odpovídá hodnotě 525 MJ/m². Při návrhu administrativní budovy se uvažuje pro 80% kvantil Gumbelova rozdělení s hodnotou 511 MJ/m². Hranice byly zapáleny současně pomocí kanálků naplněných minerální vatou napuštěnou petrolejem. Větrání požárního úseku zajišťoval okenní otvor shodný s otvorem v horním podlaží v případě prvního požáru. Zónovým modelem byla předpovězena teplota 1 046 °C v 60 min. zkoušky.

Mechanické zatížení pro druhou požární zkoušku bylo simulováno 48 vaky s kamenivem. Během požárního návrhu se mechanické zatížení uvažuje pod jeho maximální hodnotou. Použité zatížení odpovídalo užitnému zatížení při požáru 1,5 kN/m², zatížení podlahami 0,5 kN/m² a zatížení přemístitelnými příčkami 0,5 kN/m², vše v charakteristických hodnotách. Vaky byly na stropní konstrukci nad spodním podlažím pravidelně uspořádány. Rovnoměrné rozložení zatížení do konstrukce a snadnou manipulaci umožnilo jejich uložení na paletách. Hmotnost jednoho vaku, bez palety, byla 550 kg.

Mechanická analýza spřažené stropní konstrukce nad prvním podlažím během předpokládaného průběhu druhé požární zkoušky byla provedena jednoduchým analytickým modelem FRACOF+, viz [4], který zahrnuje membránové působení částečně požárně chráněného ocelobetonového stropu. Podle tohoto modelu byla únosnost stropní konstrukce v 60. min zkoušky využita na 99 %.

Průběh požáru odpovídal předpokladům numerické simulace. Největší teplota plynů 1 002 °C byla změřena vzadu v požárním úseku ve 46. min. Při významných deformacích stropní konstrukce, na 9 m rozponu průhyb 814 mm, a plánovaném vyčerpání únosnosti nechráněných přípojů nosníků nedošlo ke zřícení konstrukce. Byla prokázána významná redukce teploty na počátku požární ochrany a vhodnost kombinace požárně chráněných a nechráněných prvků v konstrukci.

SHRNUTÍ
Požární zkouška prokázala zvýšení požární spolehlivost vhodně navržené konstrukce v porovnání s požární odolností jednotlivých nosných prvků. Jednotlivé poznatky budou rozebrány v dalších připravovaných příspěvcích. Úplné vyhodnocení poznatků se připravuje na konec projektu v polovině roku 2012. Další informace o zkouškách včetně fotogalerie lze nalézt na fire.fsv.cvut.cz/test-veseli-2011. Příspěvek byl vypracován za podpory grantu RFCS COMPFIRE, Návrh přípojů na ocelobetonové sloupy se zvýšenou požární odolností.

LITERATURA:
[1] 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
[2] ČSN EN 1993-1-8: 2006, Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-8: Navrhování styčníků, ČNI, Praha, 2006
[3] 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
[4] Joints in steel construction: Simple connections, SCI P212. London, 2002
[5] Wald F., Bednář J., Vassart O., Zhao B., Požární odolnost částečně chráněného ocelobetonového stropu. 1. vyd. Praha, ČVUT, 2011, 120 s. ISBN 978-80-01-04747-7

Fire Tests on an Experimental Two-Storey Building
New connections of the steel-concrete structure of the administrative building, advanced design models, reactions of the steelconcrete ceiling with a dispersed reinforcement, heat transfer into hot-dip galvanized structure as well as fire resistance of eight types of surface sheets were verified in the fire tests of the two-storey building. The tests were carried out in the premises of the Fire testing office PAVUS a.s. on September 15 and 16. The article describes the structural solution of the experimental office building and mechanical and fire load. Upcoming articles will focus on individual knowledge gained from the tests.

Autoři

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