Příprava ověřování požární odolnosti tunelového ostění z lehkého betonu Liapor

• Foto

HLAVNÍ CÍL PROJEKTU
Projekt je zaměřen na vývoj lehkého betonu pro konstrukční účely, který má příznivé vlastnosti z hlediska odolnosti proti vysokým teplotám. Aplikace progresivní technologie na tunelová ostění vede k zvýšení bezpečnosti tunelů jako staveb a v konečném důsledku i ke zvýšení bezpečnosti provozu. Výzkum je podpořen spoluprací mezi zúčastněnými řešiteli z různých sfér vědy, výzkumu, návrhu a provádění staveb a nalezne aplikaci při výstavbě významných dopravních staveb. Vývoj konstrukčních betonů s lehkým kamenivem je zaměřen na požární vlastnosti a aplikaci v tunelovém stavitelství, avšak zároveň vznikne možnost použití nového materiálu i v jiných odvětvích stavebního průmyslu. Použití lehkého betonu přinese kromě zvýšení bezpečnosti tunelů proti požáru i energetické úspory. Díky nižší objemové hmotnosti materiálu bude příznivě ovlivňovat životní prostředí vlivem nižších exhalací při dopravě materiálů nebo dílců na stavbu a při výstavbě a sníží rizika spojená s objízdnými trasami při opravách tunelu po požáru nebo při jiných mimořádných událostech vzniklých při provozu tunelu.

DÍLČÍ CÍLE
K dosažení hlavního cíle jsou práce rozplánovány na etapy charakterizované splněním dílčích cílů, např. stanovení chování lehkého betonu (dále LC) v podmínkách vysokých teplot při požáru, experimentální ověření požární odolnosti konstrukce tunelového ostění v akreditované zkušebně, modelování průběhu teplot v tunelu zasaženém požárem, provedení výpočtu požární odolnosti prvků ostění tunelů aj. Závažným problémem bude výběr, příprava a provedení zkoušek požární odolnosti vzorků tunelového ostění podle upravené evropské zkušební metodiky a vyhodnocení zkoušených konstrukcí. Zkoušky tunelového ostění v předloženém měřítku a za daných podmínek jsou dosud výjimkou.

PŘÍPRAVA ZKOUŠKY POŽÁRNÍ ODOLNOSTI TUNELOVÉHO OSTĚNÍ
Výchozí předpoklady a návrh vzorků

• Druh tunelu – tunely silniční a železniční.
• Tvar tunelu – klenba, rám jednopodlažní, rám patrový.

Tvar zkušebních vzorků
V návaznosti na možné průřezy tunelových staveb budou zkouškám podrobeny vzorky stěny (prvek namáhaný tlakem) a stropu (prvek namáhaný ohybem). Receptura betonů pro zkušební vzorky bude upřesněna na základě laboratorních zkoušek vzorků LC, prováděných na Kloknerově ústavu ČVUT Praha. Vzorky zhotoví a dodá Lias Vintířov. Zkoušeny budou vzorky z prostého i vyztuženého betonu, popřípadě s příměsí polypropylenových vláken.

Výběr teplotního namáhání
Výběr teplotního namáhání zkušebních vzorků pro stanovení teplot při zkoušce bude proveden na základě rešerše teplotních křivek pro tunelové stavby používaných v Evropě a křivek požadovaných v českých předpisech pro tunelové stavby. Návrhové teplotní křivky pro požární scénáře v tunelu předloží FBI VŠB TUO. Ve světě byly pro požár v tunelu odvozeny následující teplotní křivky:

• Normová teplotní křivka (ISO 834) – je nejrozšířenější, používá se pro budovy i tunelové stavby.
• Uhlovodíková teplotní křivka HC (ČSN EN 1991-1-2) – je zamýšlená pro požáry v petrochemickém průmyslu a při požáru určitých typů automobilů.
• Modifikovaná uhlovodíková teplotní křivka HCM – je francouzskými předpisy upravená uhlovodíková teplotní křivka.
• Holandská RWS teplotní křivka – se vztahuje na tunely s přepravou nebezpečných látek.

RABT-ZTV křivky byly sestaveny na základě výsledků zkoušek evropského projektu EUREKA (soubor zkoušek různých typů dopravních prostředků – osobní i nákladní automobily a železniční vagóny). Křivky mají velmi strmý nárůst na teplotu 1 200 °C během 5 minut. Doba trvání 1 200 °C se liší pro automobily (RABT-ZTV car) a vlaky (RABT-ZTV train), poté dochází k lineárnímu poklesu teploty během 110 minut u obou typů křivek.

Návrh zkušebních vzorků a rozmístění teplotních čidel
Rozmístění teplotních čidel v ploše a v určitých hloubkách vzorků bude provedeno podle návrhu FBI VŠB – TUO a PAVUSu, a. s. Praha. Rozměry ohřívané části vzorků stěn (bez uložení) mohou být 3 000 × 3 000 mm a vzorků stropů půdorysných rozměrů minimálně 3 000 × 4 000 mm. Tloušťky vzorků budou stanoveny Pontexem Praha. Ve zkušebně PAVUS je vybudována nová vodorovná pec umožňující zkoušet vzorky stropů až o délce 8 m.

Zatížení
Vzorky nosné konstrukce tunelového ostění budou při zkoušce vystaveny současně teplotnímu a statickému zatížení, které s uvážením reálného zatížení zeminou, horninovým masívem nebo u patrových rámových tunelů i pojížděnými vozidly určí Pontex Praha.

Výroba vzorků a zásady provedení zkoušky
Masivní zkušební vzorky budou vyrobeny v Liasu Vintířov a po nabytí požadované pevnosti budou dopraveny do zkušebny PAVUSu ve Veselí nad Lužnicí. Po kondicionování, které je pro betonové konstrukce předepsáno po dobu alespoň tří měsíců, se pevnost a obsah vlhkosti vzorků přiblíží podmínkám běžné praxe. Poté budou vzorky postupně osazeny do zkušebního zařízení (stěnový vzorek do svislé pece, stropní do vodorovné pece), zatíženy předepsaným zatížením a vystaveny variantně různým teplotním křivkám. Podrobnosti o zkušebním zařízení, zkušebních podmínkách, zkušebních vzorcích, zkušebním postupu a kritériích dosažení mezních stavů požární odolnosti jsou předepsány evropskými zkušebními normami převzatými do souboru českých technických norem.

POSUZOVANÉ MEZNÍ STAVY POŽÁRNÍ ODOLNOSTI
R – nosnost
Je schopnost zkušebního vzorku nosného prvku přenášet přiměřené zkušební zatížení, aniž by byla překročena specifikovaná kritéria jak velikosti, tak také rychlosti deformace.

Za porušení nosnosti se považuje překročení jedné z následujících podmínek:

a) u ohýbaných zatížených prvků

mezní průhyb  mm,

nebo mezní rychlost průhybu mm/min,

kde je
L – světlé rozpětí zkušebního vzorku v mm;
d – vzdálenost krajních vláken tlačené zóny ke krajním vláknům tažené zóny posuzovaného průřezu v mm v nezahřátém stavu;

b) u svisle zatížených prvků

mezní svislé smrštění (negativní prodloužení) mm,

nebo mezní rychlost svislého smrštění mm/min,

kde je h – původní výška v mm zkušebního vzorku.

E – celistvost
Je vlastnost požárně dělicích konstrukcí. U masivních prvků tunelového ostění z LC nebude rozhodovat, protože k němu může dojít až po ztrátě únosnosti.

I – izolace
Je dána teplotou neohřívané strany zkušebního vzorku, hodnotí se u požárně dělicích konstrukcí, tedy na rozhraní dvou požárních úseků. Může se týkat vícetrubních rámových tunelů, patrových rámových tunelů, stěn nebo kleneb mezi tunelovými troubami a dalšími prostorami tunelů jako jsou tunelové propojky, technologické prostory, záchranné štoly nebo šachty aj.

Při zkoušce zkušební prvek zachovává svou dělicí funkci, aniž by na neohřívané straně byly dosaženy teploty, které způsobí:

a) vzrůst průměrné teploty nad počáteční průměrnou teplotu o více než 140 K; nebo
b) vzrůst teploty v kterémkoliv místě nad počáteční průměrnou teplotu o více než 180 K.

Další pozorování
Během zkoušky může dojít k nežádoucímu jevu projevujícímu se u betonových konstrukcí vystavených vysokým teplotám, tzv. odštěpování (někdy nazývané odprýsknutí) betonu. Během prvých minut počáteční fáze plně rozvinutého požáru může být u konstrukcí z obyčejného betonu omezeno na vystřelování jednotlivých zrn do hloubky cca 10 mm a nemá prakticky vliv na požární odolnost konstrukce. Po delší době plně rozvinutého požáru (od 5 do 30 minut) může dojít na ohřívané straně konstrukce k explozivnímu odštěpování většího plošného rozsahu a hloubky, které podle stupně statického využití konstrukce může vést ke snížení požární odolnosti a to mezního stavu nosnosti u nosných konstrukcí a snížení izolační schopnosti u dělicích konstrukcí. Při déle trvajícím požáru po 60 až 90 minutách dochází již k rozrušení struktury betonu a odpadávání velkých částí a vrstev. Odpadávání betonových bloků může ohrozit bezpečnost zasahujících jednotek HZS. Tento jev nebyl v ČR u lehkých betonů blíže zkoumán.

Po zkouškách se počítá s provedením jádrových vývrtů na zkušebních vzorcích LC betonů prošlých tepelným namáháním při požáru a stanovení poklesu pevnosti betonu v tlaku.

ZÁVĚR
Očekávaný přínos zkoušky požární odolnosti vzorků tunelového ostění je rozšíření souboru výsledků zkoušek konstrukcí tunelových staveb, ověření reálného chování těchto konstrukcí v různě simulovaných podmínkách požáru za současně působícího zadaného zatížení a sledování dalších možných následků požáru působícího na konstrukce z lehkého betonu Liapor. V rámci projektu je uvažováno s porovnáním výsledků zkoušek a výpočtu požární odolnosti tunelového ostění podle platných Eurokodů.

Tento příspěvek byl připraven za podpory projektu TA 02010488.

ZDROJE INFORMACÍ: 

• ČSN EN 1363-1 Zkoušení požární odolnosti
  • Část 1: Základní požadavky
• ČSN EN 1365-1 Zkoušení požární odolnosti nosných prvků
  • Část 1: Stěny
• ČSN EN 1365-2 Zkoušení požární odolnosti nosných prvků
  • Část 2: Stropy a střechy
• ČSN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru.
• Dílčí zpráva k projektu: Požárně odolné konstrukce pro tunelové stavby s využitím lehkého betonu Liapor. Evidenční číslo: TA 02010488. FBI VŠB TUO, srpen 2012.

Preparation of Fire Resistance Testing of Tunnel Lining Made of Lightweight Concrete Liapor
The project focuses on development of lightweight concrete for structural purposes which has positive properties from the point of view of high-temperature resistance. Application of the progressive technology on tunnel lining leads to increase of safety of tunnels as constructions and all in all to increase of operational safety. The research is supported by cooperation of participating investigators coming from various spheres of science, research, design and construction implementation, and will find their use when constructing significant traffic buildings. Development of construction concretes with lightweight aggregate is focused on fire safety properties and their application in tunnel engineering, however, at the same time a possibility emerges to use a new material also in other civil engineering branches. Except for increase in fire safety of tunnels and achieving of energy savings thanks to a lower weight of the material, use of the lightweight concrete will positively affect also environment owing to lower exhalation when transporting material or components to a construction site and during construction, and decrease a risk connected with bypasses when repairing tunnels after fire or other emergencies taking place during tunnel operation.

Autoři

• Ing. Kučera Petr Ph.D.
• Doc. Ing. Kolísko Jiří Ph.D.
• Ing. Míčka Tomáš
• Ing. Bradáčová Isabela CSc.
• Ing. Dufek Jaroslav
• Ing. Kroc Martin