Přípoj se zvýšenou požární odolností v experimentálním objektu v Mokrsku

• Foto

Sledování účinků požáru na konstrukci při experimentu v Mokrsku bylo rozděleno do oblastí, které odpovídaly jednotlivým částem konstrukce. Zkušební objekt se skládal ze tří stropních konstrukcí, ocelobetonový strop s prolamovanými nosníky, ocelobetonový strop s nosníky s vlnitými stojinami, strop dutými předepnutými panely, a z šesti obvodových konstrukcí, dvě varianty skládaného kazetového pláště, vodorovně a svisle pnuté sendvičové panely, betonová a sádrová stěna. Jedním z hlavních výstupů projektu je ověření přestupu tepla do styčníku se zvýšenou požární odolností a jeho chování za zvýšené teploty.

STYČNÍKY PATROVÝCH BUDOV
U skeletů patrových budov se nejčastěji využívá přípoj čelní deskou a deskou na stojině nosníku. V Evropě je méně obvyklé staticky velice výhodný přípoj úhelníky na stojině připojovaného nosníku. Typ přípoje se volí podle statického působení při běžných a mimořádných situacích, výrobní náročnosti a snadnosti montáže. Přípoje čelní deskou lze rozdělit na přípoje s krátkou čelní deskou, s prodlouženou čelní deskou a s deskou na výšku průřezu. Přípoje lze charakterizovat pracovním diagramem tj. závislost ohybového momentu na natočení, viz obr. 1, jako kloubové, poddajné a tuhé styčníky.

V ocelobetonových prutových konstrukcích se pro snadnost montáže využívá ocelových přípojů a zvýšení ohybové tuhosti zmonolitněním styčníku se využívá pouze výjimečně. Při požárním experimentu v Mokrsku byl zkoušen styčník se zvýšenou požární odolností, viz [1], které je dosaženo zapuštěním horní řady šroubů do betonové desky a její ochranou před kontaktem s požárem, viz obr. 2.

PŘEDPOVĚĎ TEPLOTY STYČNÍKU
Návrh spoje za zvýšené teploty vychází ze znalosti rozložení teplot ve styčníku a z únosnosti komponent styčníku za zvýšených teplot. Norma pro požární návrh ocelových konstrukcí EN 1993-1-2:2005, viz [2], doporučuje chránit styčník stejně jako připojované prvky nebo v příloze D umožňuje předpovědět rozdělení teploty v přípojích, určit únosnost spojovacích prostředků a posoudit styčník metodou komponent. Pro průběh teploty ve styčníku se používá dvou analytických modelů. Nejčastěji se teplota stanovuje přírůstkovou metodou, kdy je povrchem prvku přiváděno/odváděno teplo a ohřívá/chladí se objem prvku. Geometrickou charakteristikou přestupu se tak stává součinitel průřezu A_m/V ocelových prvků tvořících styčník v místě spoje. Součinitel průřezu vyjadřuje v tomto případě závislost mezi plochou povrchu styčníku A_m na jednotku délky, která je vystaven účinkům tepla, a objemem styčníku V na jednotku délky, který se ohřívá. Teplota nechráněné vnitřní ocelové konstrukce se získá, viz [2], přírůstkovou metodou podle vztahu:

(1),

kde A_m/V je součinitel průřezu v [m^–1], c_a je měrné teplo oceli závislé na teplotě v [J . kg^–1K^–1], ta je hustota oceli v [kg . m^–3], h_net je návrhová hodnota tepelné vodivosti na jednotku plochy v [W . m^–2],  je časový interval v [s] a k_sh je opravný součinitel zastínění, který se projeví při zahřívání podle nominální teplotní křivky. Při výpočtu lze teplotu stanovit pomocí místní hodnoty A_m/V částí tvořících styčník. Zjednodušeně lze uvažovat s rovnoměrným rozložením teploty ve styčníku a počítat s nejvyšší hodnotou poměru A_m/V ocelových prvků připojovaných do styčníku.

Druhý přístup je připraven pro přípoje nosníku na sloup nebo nosníku na nosník pod betonovou stropní konstrukcí. Teplotu takového přípoje lze stanovit z teploty dolní pásnice ve středu rozpětí, která se ale obvykle určuje metodou výše. Předpokládá se, že teplota jednotlivých částí styčníku závisí pouze na vzdálenosti od spodní hrany připojovaného nosníku. Výpočet se liší podle výšky připojovaného nosníku, kde hranicí mezi výpočetními postupy je výška nosníku 400 mm. Pokud je výška nosníku menší nebo rovna 400 mm (h_k ≤ 400 mm), platí vztah:

(2),

kde  je teplota ve výšce h_k ocelového nosníku,  je teplota spodní pásnice nosníku ve středu rozpětí a h je výška ocelového nosníku. Nejpřesněji lze teplotu styčníku stanovit metodou konečných prvků. Pro styčníky na experimentálním objektu v Mokrsku byl použit program SAFIR, který byl vyvinut na univerzitě v Liège, viz [3]. Simulovala se část ocelobetonového nosníku a část sloupu a samotný přípoj, který byl modelován včetně šroubů, viz obr 2. V modelu jsou pro názornost barevně odlišeny jednotlivé části tvořící styčník, viz [4]. Model byl vytvořen preprocesorem GiD. Na obr. 3 je příklad výsledného rozložení teplot z programu SAFIR zobrazený pomocí postprocesorového programu Diamond v 60. minutě experimentu.

ZMĚŘENÁ TEPLOTA VE STYČNÍKU
Na styčníku byla teplota měřena v několika bodech, viz obr. 4, a to v horním a dolním šroubu přípoje, v čelní desce vždy vedle šroubu, v obou pásnicích nosníku a také v jeho stojině, viz obr. 5. Na obr. 5 jsou vykresleny průběhy změřených teplot v jednotlivých termočláncích. Teplota v horním šroubu je na první pohled podstatně nižší, čímž byl jednoznačně prokázán příznivý vliv obetonování na dosažené teploty. Teplota v horním šroubu dosáhla v 58. min 157 °C, zatímco maximální teplota spodního nechráněného šroubu byla změřena v 60. min, a to 520 °C. Teplota po výšce čelní desky se také podstatně lišila, teplota byla velmi blízká teplotě příslušného šroubu. Ochráněná část čelní desky vedle horního šroubu dosáhla 201 °C v 61. min a teplota spodní nechráněné části čelní desky 505 °C v 60. min.

Na obr. 6 jsou změřené průběhy teplot v přípoji prolamovaného nosníku na průvlak z válcovaného profi lu. Rozdíly teplot mezi chráněnou a nechráněnou částí přípoje jsou podobné jako v případě přípoje nosníku na sloup, i u tohoto přípoje tedy byl prokázán příznivý vliv obetonování části přípoje. Teplota v horním šroubu dosáhla v 62. min 198 °C, zatímco teplota v dolním šroubu přesáhla v 62. min 410 °C. Teplota chráněné části čelní desky byla v 62. min 253 °C a nechráněné části ve stejném čase 397 °C. Rozdíly v teplotách chráněné a nechráněné části přípoje nejsou v případě přípoje nosníku na nosník tak velké, protože průvlaky byly více požárně chráněné než střední sloup. Požární ochrana sloupu začínala až 50 mm pod spodní hranou připojovaného prolamovaného nosníku a průvlak byl ochráněn již v bezprostřední blízkosti čelní desky.

PŘESNOST PŘEDPOVĚDI
Jak bylo zmíněno dříve, pro předpověď teploty v přípojích lze využít několika přístupů. Prvním z nich je přírůstková metoda s použitím součinitele průřezu A_m/V. Zjednodušeně lze uvažovat s rovnoměrným rozložením teploty ve styčníku a počítat s nejvyšší hodnotou poměru A_m/V ocelových prvků připojovaných do styčníku. Je ale také možné, za předpokladu rovnoměrného rozložení teploty ve styčníku, stanovit teplotu pomocí místní hodnoty A_m/V částí tvořících styčník.

Na obr. 7 jsou vypočítané průběhy teplot v přípoji nosníku na sloup porovnány s teplotou změřenou při experimentu. Nejlépe odpovídá křivka při započítání nejvyšší hodnoty součinitele průřezu z připojovaných prvků. Není však nutné brát nejvyšší hodnotu A_m/V, ale je možné brát v úvahu místní hodnotu A_m/V částí tvořících styčník. V tomto případě se jedná o čelní desku (plech). Průběh o něco lépe vystihuje průběh skutečně naměřených teplot, ale v maximu teploty nedosahují takové výšky a výpočet je tak na straně nebezpečné. Vyšší hodnota A_m/V je u nosníku, a proto je pro kontrolu v grafu uvedený i průběh teploty podle součinitele průřezu sloupu. Jak je vidět, i v tomto případě je předpověď na straně nebezpečné a ani průběh teploty nevystihuje skutečný průběh. Jako nejvhodnější se tak v tomto případě ukazuje metoda nejvyššího poměru A_m/V ve styčníku, přestože jde o metodu zjednodušenou. Na obr. 8 jsou zobrazeny průběhy teplot vypočítané za využití tří různých metod. První je metoda nejvyšší hodnoty součinitele průřezu A_m/V, která byla popsána výše. V porovnání s ostatními metodami není tak přesná. Její maximální předpovězená teplota je však vyšší než ta skutečně naměřená a je tak na straně bezpečné.

Skutečný průběh teploty ale příliš dobře nevystihuje. Druhou metodou je určení teploty ve styčníku ze změřené teploty pásnice připojovaného nosníku ve středu rozpětí. V tomto případě je předpovězená maximální teplota podobná jako v případě metody s Am/V a je proto také na straně bezpečné. Navíc i průběh teploty během požáru lépe odpovídá skutečnému průběhu teplot a tato metoda tak udává bezpečné hodnoty po celou dobu požáru. Třetí metodou je použití vhodného MKP modelu. Tato metoda se ukázala jako nejpřesnější. Průběh velmi přesně kopíruje průběh teplot naměřených při experimentu s tím, že převážně jsou vypočítané teploty nepatrně vyšší.

SHRNUTÍ
Pro určování teploty v přípojích jsou k dispozici tři metody: pomocí součinitele průřezu Am/V, z teploty pásnice nosníku ve středu rozpětí a MKP model. U metody součinitele průřezu se prokázal zjednodušený postup výpočtu s použitím nejvyšší hodnoty A_m/V jako vhodný a použitelný pro určování maximální teploty. Výpočet pomocí teploty nosníku ve středu rozpětí je stejně přesný při určování maximální teploty, navíc ale výpočet udává bezpečné hodnoty po celou dobu požáru. Jako nejpřesnější, ale nejpracnější MKP model, při němž je shoda výpočtu s naměřenými hodnotami velmi dobrá.

Zkoumaný přípoj se při požáru, viz obr. 9, choval tažně. Obr. 10 a 11 ukazují přípoje na porušené ocelobetonové desce, která byla navržena na požární odolnost R60 a porušila se v 62. min požáru. Tato práce byla vypracována s podporou výzkumného centra MŠMT  IDEAS č. 1M0579.

LITERATURA:
[1] Kallerová P., Chlouba J., Wald F.: Požární zkouška v Mokrsku, Konstrukce, 2009, r. 8, č. 1, s. 8–13, ISSN 1213-8762
[2] ČSN EN 1993-1-2: 2005: Navrhování ocelových konstrukcí, Všeobecná pravidla, Navrhování na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006
[3] Franssen J. M., Kodur V. K. R., Mason J.: User’s Manual for SAFIR: A Computer Program for Analysis of Structures Subjected to Fire, University of Liège, 2005
[4] Chlouba J., Wald. F.: Connection Temperatures during the Fire Test in Mokrsko, Proceedings of International Conference “Applications of Structural Fire Engineering”, Prague 2009, s. 471–476, ISBN 978-80-01-04266-3

Connection with Enhanced Fire Resistance in Experimental Building in Mokrsko
Monitoring the effects of fire on the construction during an experiment in Mokrsko was divided into areas which corresponded to particular parts of the construction. One of the main outputs of the project is the verification of heat transfer into the node with enhanced fire resistance and its behaviour under increased temperature. During the fire experiment in Mokrsko, the node with enhanced fire resistance was tested, this being achieved by sinking the upper row of screws into concrete board and its protection against contact with fire. The monitored connection behaved tensely during the fire.

Autoři

• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Kallerová Petra