Zkouška chování tenkostěnných Z vaznic za požáru

• Foto

POŽÁRNÍ ZKOUŠKA
Průřezy
Požární zkouška byla provedena ve zkušebně PAVUS ve Veselí nad Lužnicí v horizontální zkušební peci. Z vaznice o výšce 200 mm a tloušťce 1,5 mm byly umístěny mezi podpory na rozpon 6 m (uvnitř zkušební pece) s převislým koncem délky 2,5 m mimo zkušební pec. Převislá část reprezentovala vnitřní podporu spojitého nosníku o více polích. Nad touto podporou bylo použito pro spojení vaznic tzv. rukávu (sleeve). To znamená, že v prvky pro jednotlivá pole jsou nad podporou zespojitěny přidanou vaznicí stejného průřezu, ale větší tloušťky (2,0 mm). Ta pokrývá oblast nejvyššího, záporného momentu. Geometrie a použité průřezy jsou na obr. 1. Veškeré průřezy jsou vyrobeny z oceli třídy S350GD. Dvě vaznice byly zkoušeny jako volné po celém jejich rozponu a zbylé dvě byly spojeny v místě horních pásnic pomocí trapézového plechu výšky 55 mm a tloušťky 0,7 mm. U konzolové části byl u všech prvků trapézový plech připevněn na obou pásnicích. Podporové botky byly vyrobeny z profilu U140, na které byly Z vaznice připevněny v místě stojiny pomocí čtyř šroubů M16.

Zatížení
Průřezy a zatížení byly vybrány tak, aby reprezentovaly skutečný případ prvků pro typickou střešní konstrukci. Zatížení bylo stanoveno na základě kombinace pro mezní stav únosnosti za běžné teploty.

Zatížení reprezentuje sendvičový panel o vlastní tíze 0,15 kN/m² (γ_G uvažováno 1,35) a zatížení sněhem 0,7 kN/m² (γ_Q uvažováno 1,5), které představuje více než 90 % využití únosnosti prvku za normálních podmínek. Pro kombinaci v případě požáru se dílčí součinitele bezpečnosti (γ_G a γ_Q) uvažují rovno 1,0 a kombinační faktor pro zatížení sněhem ψ1,1 = 0,2. Výsledná hodnota zatížení s vlivem koeficientů byla spočtena na 0,5 kN/m pro nestabilizované vaznice, kde zatížení bylo zavěšeno na stojině po 1 m v celé délce rozpětí a druhá hodnota zatížení 1 kN, které bylo aplikováno na převislém konci profilu (obr. 2). Pro případ stabilizovaných vaznic trapézovým plechem byla hodnota zatížení o 50 % vyšší (obr. 3). Zatížení bylo umístěno na profilovaný plech kotvený do horních pásnic vaznic. Vaznice a rozmístění zatížení můžeme vidět na (obr. 4).

Teplota
Teplota plynu je určena v souladu s normovou křivkou ISO 834 danou vztahem závislosti teploty na čase (1).

θ_g = 20 + 345 log₁₀ (8t-1)     [1]

kde:
θ_g je teplota plynu ve stupních Celsia,
t je čas v minutách.

Porovnání průběhu normové křivky a skutečného měření (průměr z 20 měřených míst, 5 podél každé vaznice) je vyneseno na obr. 5.

Teplota vaznic byla měřena ve dvou příčných řezech na každém prvku. První řez byl uprostřed rozponu a druhý 500 mm od podpory směrem do pece (v oblasti spojovacího rukávu). Pro měření teploty byly použity navařené termočlánky (obr. 6).

Průměrné hodnoty teplot pro všechny vaznice v polovině rozpětí a u podpory můžeme vidět v obr. 7. Teploty byly pro jednotlivé vaznice poměrně rovnoměrně rozložené, k pomalejšímu zvyšování teploty docházelo v místě u vnitřní podpory. To vyplývá ze skutečnosti, že profil vaznice je v místě podpory zdvojen.

Měřené deformace
Svislý průhyb byl měřen u každého prvku pouze uprostřed rozpětí. Průměrný průhyb je znázorněn na obr. 8 odděleně pro vaznice s a bez plechu na horní pásnici profilu. Kladné znaménko značí průhyb ve směru dolů.

INTERPRETACE POŽÁRNÍ ZKOUŠKY
Během zkoušky byly pozorovány náhlé změny rychlosti v přírůstku svislé deformace (obr. 8). K počátečnímu nárůstu deformace směrem vzhůru výrazně přispívá nerovnoměrné rozložení teploty po průřezu, kde spodní pásnice vykazuje vyšší teplotu než horní oblast profilu. Tepelná roztažnost se proto projevuje více u spodní části konstrukce. Vzniklá reakce ve spodní řadě šroubů přípoje na vaznice na botku vyvozuje ohyb směrem vzhůru.

Zhruba po 7. minutě požární zkoušky díky tepelné roztažnosti došlo k nárůstu normálové síly přesahující tlakovou únosnost prutu a tím i k deformaci průřezu v místech s větším namáháním v důsledku vlivu ohybu. K tomuto jevu došlo v oblasti u spojovacího dílce a v polovině rozpětí. Deformace průřezů je patrná z obr. 9.

Ohybová únosnost u obou profilů byla stanovena podle ČSN EN 1993-1-2 [1] přibližně na 14–19 minutu. To odpovídá druhé oblasti s výrazným zvýšením deformace, ke které došlo po 15 min požární zkoušky. Při této teplotě je ohybová únosnost prutu překročena a průhyb se proto zvyšuje rychleji (postupně je vyčerpána únosnost jednotlivých průřezů). Zdeformovaný tvar vaznice můžeme pozorovat na obr. 10 a 11.

Přibližně po 20 minutě zkoušky se plně rozvíjí chování charakterizované řetězovkou, kdy prvek působí jako tažené vlákno. Průhyby dosažené po 60 min zkoušky byly 781 mm pro vaznice stabilizované trapézovým plechem a 549 mm pro vaznice bez stabilizace horní pásnice. Zkouška byla ukončena po 65 min (obr. 12).

JEDNODUCHÝ NUMERICKÝ MODEL
Jednoduchý model byl sestaven v programu Abaqus. Tento model se skládá z modelu nosníku, který uvažuje geometrické a materiálové imperfekce. Nosník je namodelován ze stejného průřezu jako testovaný v požární peci, ale ohyb je brán k měkčí ose. Materiálové charakteristiky pro model byly uvažovány v nominálních hodnotách normy ČSN EN 1993-1-3 [3] s redukčními součiniteli podle francouzské Národní přílohy normy EN 1993-1-2, která udává i redukce pro za studena tvářený materiál.

Hlavním cílem bylo zjistit, zda je možné použít takové zjednodušující podmínky pro výpočet svislé deformace a především vodorovných reakcí vyplívajících z podobnosti působení s řetězovkou. Nicméně napočtené průhyby pro stabilizované vaznice byly stanoveny na 579 mm a 518 mm pro vaznice bez stabilizace. Vzhledem k tomu, že hodnoty jsou mnohem nižší než naměřené průhyby (zejména pro prvky s plechem), by zjednodušený model byl s ohledem na vyvozené vodorovné reakce spíše konzervativní. Nicméně rozdíl mezi výpočtem a naměřenou skutečnou hodnotou může být i v důsledku dalších vlivů a způsobu měření při zkoušce.

Spolu s jednoduchým numerickým modelem, byl připraven i prostorový deskostěnový model [4] poměrně věrně simulující průběh zkoušky. Jeho výsledky budou publikovány později.

ZÁVĚR
Tento článek představuje požární zkoušku dvou párů za studena tvarovaných Z vaznic. Pro jednu dvojici byla zvolena stabilizace horních pásnic, pro druhou nikoliv. Detailní popis zkoušky je uveden výše i s interpretací chování. V první řadě byla na prvku indikována tlaková síla od tepelné roztažnosti, to velmi přispělo k vybočení profilu. Později došlo k překročení ohybové únosnosti prvku a tím k významné deformaci vyvolané v důsledku přechodu k vláknovému působení.

Výstižné navrhování za studena tvarovaných prvků při požáru je velmi složité. Jako klíčové se jeví stanovení vodorovných sil působících na přípoj vaznice. V počáteční fázi požáru je síla v přípoji vyvozena coby reakce vlivem teplotní roztažností prutu. Zároveň však z podstaty nemůže překročit únosnost prutu. Tuto sílu je poměrně jednoduché bezpečně stanovit. Po vyčerpání tlakové a ohybové únosnosti je možné profil bezpečně modelovat jako tažené vlákno (zanedbání ohybové tuhosti) a na základě toho stanovit opět vodorovnou sílu v přípoji. I když bude tato síla obecně menší, než ve fázi počáteční, může být s ohledem na snížení únosnosti přípoje vlivem vysoké teploty rozhodující.

Článek vznikl s podporou výzkumného grantu COST LD13016 PURLFIRE. Autoři jsou také vděční firmě RUUKKI CZ za poskytnutí materiálu ke zkoušce.

LITERATURA:
[1] ČSN EN 1993-1-2, Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006.
[2] Lu W, Mäkeläinen P, Outinen J. Numerical simulation of coldformed steel purlin behaviour in fire, Journal of Structural Mechanics, Vol. 43, No 1, 2010, s. 12-24.
[3] ČSN EN 1993-1-3, Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-3: Obecná pravidla – Doplňující pravidla pro tenkostěnné za studena tvarované prvky a plošné profily, ČNI, Praha, 2008.
[4] Slatinka, M. Numerická studie chování tenkostěnných Z vaznic za požáru, Diplomová práce, FSv ČVUT v Praze, 2014.

Testing Thin-Walled Z Purlins in Case of Fire
Cold-formed sections are often used as secondary structural components, as they are very effective. They are typically used in hall buildings and other light structures. The main advantages of these components include the ratio between their own weight and carrying capacity, as well as the fact that they can be installed easily. However, in case of fire, their low weight and cross-sectional slenderness may cause the temperature of the component to increase even more, in comparison to hot-rolled or welded cross-sections, which is disadvantageous, considering their carrying capacity.The paper shows the results of the experimental determination of Z purlin behaviour with and without trapezoidal sheet metal stabilizing the upper flange. The detailed behaviour analysis can be found in the following paragraphs.

Autoři

• Ing. Schwarz Ivo
• Ing. Jandera Michal Ph.D.