Zkouška konstrukční celistvosti v Cartingtonu, příprava zkoušky

POŽÁRNÍ ÚSEK
Pro zkoušku byl ve třetím patře zkušebního podlažního objektu vytvořen požární úsek o rozměrech 7 × 11 m, viz obr. 1. Zkoušela se stropní deska nad třetím podlažím. Stěny požárního úseku byly umístěny ve vzdálenosti cca 1 m za vnější líc sloupů. Stěny tvořily příčky ze sádrokartonových desek (tloušťky 15 + 12,5 + 15 mm, koeficient tepelné vodivosti λp = 0,20 W m^-1K^-1) na ocelových tenkostěnných profilech. Konstrukce příčky byla ukončena 0,5 m pod stropem. Mezera byla uzavřena rohožemi z křemičitých vláken tak, aby byla umožněna volná deformace stropu. U obvodového pláště byl ponechán ventilační otvor o výšce 1,30 m a délce 9 m nad sádrokartonovou příčkou, viz obr. 2, umístěnou za plynosilikátovou vyzdívkou výšky 900 mm [2].
Sloupy uvnitř požárního úseku byly opatřeny protipožárním nástřikem (Cafco 300) o tloušťce 18 až 26 mm na bázi vermiculitu (o tepelné vodivosti λp = 0,078 W m^-1K^-1). Vnitřní sloupy (D2, E2) byly chráněny pod styčníky s nosníky. Na vnějších sloupech (D1, E1) byl nástřik až ke stropní desce včetně 1,2 m připojovaných nosníků, obr. 3. Trapézové plechy konstrukce stropu v požárním úseku byly bez tepelné izolace.

ZKOUŠENÁ ČÁST KONSTRUKCE
Ocelovou konstrukci stropu v požárním úseku, která byla přímo vystavena požáru, tvořily válcované nosníky 305 × 165 × 40UB (vnitřní), resp. 356 × 171 × 51UB (vnější) na rozpětí 9 m z oceli S275 (mez kluzu z experimentů 303 MPa a mez pevnosti 469 MPa) [3]. Průvlaky byly provedeny z profilu 356 × 171 × 51UB na rozpětí 6 m z oceli S355 s experimentálně stanovenou mezí kluzu 396 MPa a mezí pevnosti 544 MPa. Vnitřní sloupy 305 × 305 × 198UC a vnější sloupy 305 × 305 × 137UC byly navrženy z oceli S355. Přípoje nosníku na sloup tvořily čelní desky P8 - 260 × 140 z oceli S275 a přípoje průvlaků desky P8-260 × 150 (ocel S275) s osmi šrouby M20 - 8.8 o mezi pevnosti 869 MPa. Přípoje nosníků na průvlaky tvořily desky na stojině P10 - 260 × 100 se čtyřmi šrouby M20-8.8. Ocelobetonová deska byla betonována z lehkého betonu LW 35/38 o tloušťce 70 mm nad vrchol vlny. Před zkouškou byla Schmidtovým kladivem ověřena krychelná pevnost 39,39 ± 0,48 MPa. Deska byla vyztužena sítí o 142 mm²/m. Spřahovací trny ø 19-95 mm s charakteristickou hodnotou meze kluzu 350 MPa byly na nosnících umístěny do každé vlny trapézového plechu PMF CF70 tloušťky 0,9 mm, tj. po 300 mm na nosnících (na průvlacích po 200 mm).

ZATÍŽENÍ
Budova byla navržena jako běžná administrativní budova v hrabství Bedford v jihovýchodní Anglii, tj. ve výpočtu se uvažovalo s 3,65 kN/m² stálého zatížení a s 3,5 kN/m² nahodilého zatížení. Pytle s pískem, každý o tíze 11 kN na ploše 18 × 10,5 m, viz obr. 6, doplňovaly během zkoušky plné stálé a dlouhodobé nahodilé zatížení a představovaly 56 % krátkodobého nahodilého zatížení. Mechanické zatížení bylo navrženo na kolaps ocelobetonové desky [4]. Mezního stavu celistvosti otevřením trhliny u sloupu D2 dosáhla deska v 57. minutě experimentu. Mezní únosnost desky nebyla vyčerpána a 32 hranic z dřevěných hranolů 50 × 50 × 1.000 mm o vlhkosti 11,8% tvořilo požární zatížení 40 kg/m², které odpovídá požárnímu zatížení v administrativní budově, viz obr. 7.

MĚŘENÍ
Dvě stě padesát snímačů zaznamenávalo teploty a poměrné deformace. Snímače byly propojeny s ústřednou Orion Delta, umístěnou v přízemí objektu, která data odečítala, převáděla a zaznamenávala. K vyhodnocení byla data ukládána připojeným osobním počítačem. Teploty v požárním úseku, na nosnících, styčnících a v betonové desce zaznamenávalo 148 termočlánků. Vnitřní síly ve styčnících byly určovány deseti vysokoteplotními tenzometry (HITEC PRODUCTS, INC., HBWAH-12-250-6NL).
Napjatost v tepelně izolovaných sloupech a v ocelobetonové desce byla vyšetřována 57 nálepkovými tenzometry, pracujícími do teplot 200 až 250 °C, 37 induktivních snímačů deformací zachycovalo změnu geometrie konstrukce.
K záznamu průběhu hoření a deformace sloupů a stropní desky sloužilo deset videokamer, umístěných vně i uvnitř objektu. Dvě termokamery (FLIR 695 PM) s objektivy se zorným polem o úhlu 6 ° umožnily rozlišení měřeného bodu na konstrukci o velikosti přibližně 24 × 24 mm. Matice teplot byly stanoveny z koeficientu emisivity ocelových prvků, zjištěné před zahájením zkoušky. Emisivita se v průběhu teplotního vývoje snímané konstrukce mění, a proto byly získané matice teplot přepočteny na základě znalosti referenčních teplot, změřených termočlánky, umístěnými v zorných polích termokamer.
Na obr. 9a je termogram, zobrazující rozložení teplot na konstrukci, zaznamenané jednou z termokamer v 57. minutě experimentu. V této době byla termočlánkem na dolní pásnici ve středu nosníku naměřena nejvyšší teplota 1.088 °C. Grafický záznam teplot při rozpětí 220 °C až 1.050 °C zachycuje celé rozpětí teplotního reliéfu v zorném poli objektivu kamery. Na obr. 9b jsou rozdíly teplot ve výseku požárního úseku zvýrazněny zúžením teplotního rozpětí termogramu na 850 °C a 1.050 °C. Zobrazení teplot pod 850 °C je potlačeno. Obr. 10 dokumentuje průběhy teplot na nosníku v liniích, vyznačených na obr. 9b. Záznam je rozdělen na dvě části pro odfiltrování prvku ve fasádě budovy a zavěšeného úpalku I profilu pro ověření zpěnění požárního nátěru za přirozeného požáru.
Nejvyšší teploty bylo na přípoji nosníku na průvlak deskou na stojině nosníku dosaženo v 63. minutě experimentu (908,3 °C). Rozložení teplot ve výseku požárního úseku v tomto okamžiku ukazuje obr. 11a. Na obr. 12 je graf rozdělení teploty po výšce nosníku a průvlaku v okolí styčníku a na přípoji deskou na stojině nosníku, stanovený ze záběru termokamery. Při chladnutí se vlivem tepelné setrvačnosti ochlazují nosníky rychleji než styčníky. Na obr. 11b je zaznamenán teplotní reliéf v okamžiku největšího rozdílu teplot chladnoucího styčníku a nosníku v 92. minutě experimentu.

Nezkrácený článek včetně fotek, tabulek a grafů najdete v říjnovém čísle 5/2004.

Autor

• Prof. Ing. Wald František CSc.