Střešní plášť s trapézovými plechy za požáru

Teplota trapézových plechů při požáru je přibližně rovna teplotě plynů, protože součinitel průřezu A_m/V (m^-1) pro tenkostěnné konstrukce dosahuje hodnot přes 1.000 m^-1. Pro tenkostěnné, za studena tvarované prvky lze změny materiálových vlastností za vysokých teplot předpovědět podle přílohy E [1]. O spolehlivosti konstrukce rozhoduje chování přípojů, které jsou při požáru namáhány nejprve tlakovými silami od protažení plechů způsobeného teplotou a posléze tahem při jejich vyvěšení.

ZKOUŠKY
Požární zkoušky trapézových plechů byly provedeny v laboratořích Pavus ve Veselí nad Lužnicí a Fires v Batizovcích, viz tab. 1. Byla zkoušena skládaná střešní konstrukce sestávající z nosných tenkostěnných profilů, tepelné izolace tvořené minerální vlnou nebo pěnovým polystyrenem a krytiny. Jedna zkouška (S1) byla provedena na prostém nosníku, zbývající na nosnících s převislým koncem nahrazujícím druhé pole spojitého nosníku. Nosnou část tvořily tenkostěnné profily dodané společností Kovové profily. Zkoušky materiálu při 20 °C prokázaly mez kluzu f_y = 374 MPa, mez pevnosti f_u = 461 MPa a tažnost 18,9 %. Při experimentech byly plechy v podélných spárách spojeny samovrtnými šrouby 4,8 × 20 mm ve vzdálenostech 500 mm. Střešní plášť byl při zkoušce uložen na rámu z uzavřeného profilu 2 × U200 se svařovanými, ve vodorovné rovině ohybově tuhými přípoji. Plechy byly k nosnému rámu připevněny šrouby E-VS BOHR 5 5,5 × 38. Byly použity dva šrouby v každé vlně trapézového profilu. Velkému průhybu převislého konce bránila pomocná podpora umístěná 20 mm pod úrovní rámu, na kterou převislý konec dosedl při vzniku plastického kloubu nad podporou nosníku. Mechanické zatížení představovalo zatížení sněhem a technologické zatížení bylo vyvozováno bloky z lehkého betonu a ocelovým závažím, viz obr. 1 a 2. Při zkoušce bylo ohříváno jen pole nosníku. Požární odolnost se experimentálně stanovuje splněním dvou kritérií současně, tj. deformace

δ_lim = L / 400 r (1),

kde r je rameno vnitřních sil, a rychlosti deformace v mm/min po dosažení průhybu L/30

dδ_lim / dt = L² / 9.000 r (2).

Obr. 1 – Geometrické schéma zkoušky požární odolnosti trapézových plechů C3

Obr. 2 – Zatížení tvárnicemi z lehkého betonu, zkouška požární odolnosti
trapézových plechů C3.

Výsledky experimentů jsou shrnuty v tab. 1 a zobrazeny na obr. 3 a 4. Experimenty byly ukončeny po dosažení normových kritérií únosnosti, ke kolapsu nosné konstrukce při žádném z experimentů nedošlo. Lokální ztráta stability byla po zkoušce patrná na tlačené straně plechu nad podporou i v poli nosníku, kde došlo také k plastickému protažení materiálu a k deformaci příčného řezu. Při experimentu C3 byla měřena teplota přípojů, viz obr. 5. Prostor nad šrouby ve vlnách trapézového plechu na koncové podpoře (čidla C3TB1 a C3TB2) byl tepelně izolován minerální vlnou, vnitřní podpora byla bez tepelné izolace (čidla C3TB3 a C3TB4).

Obr. 3 – Ztráta tvaru průřezu uprostřed rozpětí po požární zkoušce F2

Obr. 4 – Deformace průřezu po požární zkoušce F2.

PŘÍPOJE ZA ZVÝŠENÝCH TEPLOT
V laboratoři Stavební fakulty ČVUT v Praze byly zkoušeny přípoje trapézového plechu k nosné ocelové konstrukci za pokojové i za zvýšené teploty [3], viz obr. 6. Ke zkouškám byly použity šrouby E VS BOHR 5 5,5 × 38 a plech tloušťky 0,75 mm. Při pokojové teplotě byla zjišťována tuhost, únosnost a deformační kapacita tří variant přípoje plechu: se šroubem bez podložky (hlava šroubu ø 7,2 mm), se šroubem a těsnicí podložkou ø 13 mm nebo ø 19 mm. Ve všech případech nastalo porušení otlačením plechu. Při zkouškách za zvýšené teploty, viz obr. 6, byly použity těsnicí podložky ø 19 mm a tlusté podložky ø 29 mm. Zkoušky byly prováděny při ustálených teplotách 20, 200, 300, 400, 500, 600 a 700 °C. Závislost prokluzu ve spoji na působící síle je na obr. 7. Při zkouškách přípojů s těsnicími podložkami došlo vlivem teploty k degradaci elastomeru, podložka prakticky neměla vliv na únosnost spoje a vždy docházelo k otlačení připojovaného plechu, viz obr. 8a. Při použití tlustých podložek se shrnoval plech před podložkou, spoj vykazoval větší tuhost a téměř dvojnásobnou únosnost, viz obr. 8b. Při teplotách vyšších než 500 °C docházelo k usmyknutí šroubu, což snížilo deformační kapacitu přípoje.

Obr. 5 – Teplota přípojů při experimentu C.

VÝPOČET
Při návrhu trapézových plechů za pokojové teploty lze využít nosníkového modelu s náhradním momentem setrvačnosti I_a,eff, který se stanovuje experimentálně, analyticky nebo kombinací těchto metod. Únosnost a tuhost trapézových profilů zahrnuje lokální boulení a smykové ochabnutí. Samostatně lze posoudit borcení stěn v oblastech podpor, viz [4]. Průhyb tenkostěnných nosníků se počítá s momentem setrvačnosti účinného průřezu, který zohledňuje efektivní šířky tlačených stěn. Při výpočtu za vysokých teplot lze pro stanovení náhradního momentu setrvačnosti redukovat modul pružnosti a mez kluzu v závislosti na dosažené teplotě.

Celý nezkrácený článek včetně všech vzorců, tabulek, grafů a obrázků si můžete přečíst v časopise KONSTRUKCE číslo 2/2006.

Autoři

• Ing. Sokol Zdeněk
• Prof. Ing. Wald František CSc.