Zkouška požární odolnosti profilu s vlnitou stojinou

• Foto

Již před třiceti lety vyrobila rakouská firma Zeman&Co GmbH speciální svařovací automat na průběžné svařování krčních svarů mezi vlnitou stojinou a pásnicemi. Svařovací hlavy jsou naprogramovány tak, že kopírují zvlnění stojiny vždy v poloze kolmé k plechu a tím zaručují jednotnou tloušťku provedení krčního svaru. Krční svar je jednostranný koutový svar, vzhledem k malé tloušťce stojiny ale dojde k částečnému provaření. Na obrázku 1 je práce svařovacích hlav výrobního automatu.

WT profil je charakterizován jako svařovaný „I“ profil s tenkou stojinou, která je válcovacím strojem ve výrobě tvarována do vln tvaru sinusovky o výšce vlny 40 – 43 mm. Proto je také profil anglicky označován jako „sin beam“. Výška profilu se odvíjí od šířky svitků používaných při výrobě stojiny a jejich podélného dělení. Standardní výška stojiny je 333, 500, 625, 750, 1 000, 1 250 a 1 500 mm. Tloušťka stojiny je standardně 2,0 mm (WTA), 2,5 mm (WTB) nebo 3,0 mm (WTC), přičemž výrobní linka umožňuje výrobu stojin v tloušťkách od 1,5 do 6,0 mm. Standardní materiál stojiny je S235 dle [1], alternativně lze navrhovat i ocel S275 a S355. Pásnice se používají v tloušťkách od 6 do 30 mm z oceli S235, S275 a S355. Na obr. 2 je výstup ze stroje tvarujícího stojinu. V současné době umožňuje výrobní linka i výrobu profilů s proměnnou výškou stojiny od 250 do 1 250 mm.

ZPŮSOB NAVRHOVÁNÍ V PROVOZNÍM STAVU
Současně s vývojem technologie výroby byl řešen i způsob posuzování průřezů a stabilitní únosnosti celého prutu. Výpočetní model návrhu WT profilu byl ověřován destrukčními i nedestrukčními zkouškami skutečných profilů, které se soustředily především na únosnost tenké stojiny a únosnost jednostranných krčních svarů a probíhaly od 80. let minulého století. Před několika lety se do této činnosti zapojila i Katedra ocelových konstrukcí Stavební fakulty ČVUT v Praze, kde tým pod vedením prof. Macháčka prováděl zkoušky lokální únosnosti stojiny zatížené osamělým břemenem a zkoušky dynamicky namáhaných nosníků.

Návrh WT profilů se provádí podle [2] a především ČSN EN 1993-1-5 [3], kde je samostatná příloha D věnována návrhu profilů s tvarovanou stojinou. Návrh WT profilů je z hlediska pracnosti srovnatelný s návrhem válcovaného profilu. Ve srovnání se svařovaným „I“ profilem s rovnou stojinou je návrh WT profilu dokonce jednodušší, protože není vyčíslována stabilita stojiny z při boulení. Zvlnění stojiny i při výšce 1 500 mm zajišťuje dostatečnou stabilitu stojiny ve smyku, což bylo prokázáno výpočtem i zkouškami a je přímo zmiňováno v [3] v Národní příloze. Na obrázku 3 je pohled do haly mostárny, kde jsou z WT profilů vyrobeny vazníky, některé hlavní sloupy podpírající jeřábovou dráhu a nosné prvky výrobní linky.

Základní výpočetní model pro WT profil se od běžných profilů odlišuje v tom, že je uvažován jiný způsob rozdělení vnitřních sil v průřezu. Všem složkám vnitřních sil kromě
posouvající síly ve směru stojiny vzdorují jen pásnice a vlnitá stojina přenáší pouze příslušnou posouvající sílu. Posudek únosnosti průřezu i únosnosti prutu je proveden obdobným způsobem, jako se posuzuje běžný „I“ profil, pouze se neuvažuje interakce ohybových momentů a normálové síly se smykovou silou ve směru stojiny. Smyková únosnost stojiny je rovna plastické únosnosti průřezu stojiny bez vlivu boulení. Pro navrhování WT profilů v provozním stavu je k dispozici jednoduchý výpočetní program.

POŽÁRNÍ ODOLNOST
Požární odolnost je v současné době velmi důležitou součástí návrhu většiny nosných ocelových konstrukcí. Zatímco pro samotný výpočet únosnosti konstrukce při požární situaci platí harmonizované evropské normy, ve stanovení požadavku na požární odolnost je situace odlišná. V případě většiny nosných ocelových konstrukcí je důležitý požadavek požární odolnosti R15. Pro přísnější požadavek R30 a více již běžné ocelové konstrukce, hospodárně navržené s ohledem na provozní zatížení nevyhovují, a proto je u nich nutné volit dodatečnou ochranu proti účinkům požáru. Stanovení požadavků na požární odolnost objektů je většinou součástí projektů PBŘ, který zpracovávají příslušní specialisté. Přístup ke stanovení požadavků na požární odolnost není v Evropě jednotný a výsledkem je proto skutečnost, že zatímco v jedné zemi je požadována pro jednu určitou konstrukci požární odolnost R15, v sousední zemi to může být R30 nebo naopak prokázání požární odolnosti není požadováno vůbec. Česká republika patří mezi přísnější země a tak bez požadavku na požární odolnost jsou prakticky jenom vnější konstrukce.

Pro navrhování běžných ocelových konstrukcí na účinky požáru se používá ČSN EN 1993-1-2 [4]. Tato norma se podrobněji problematikou nosníků s tvarovanými stojinami nezabývá. Proto byla položena základní otázka, zda lze i pro požární situaci použít postup rozdělení působení vnitřních sil mezi pásnice a stojinu shodně s návrhem v provozním stavu.

První požární zkouškou s WT profily u nás byl požární test reálné budovy, který byl realizován týmem pod vedením prof. Walda v Mokrsku v roce 2008. V rámci této zkoušky byla část stropu zkušebního objektu realizována z WT profilů se spřaženou železobetonovou deskou a výsledkem bylo ověření membránového působení systému nechráněných nosníků a betonové desky při požáru.

POŽÁRNÍ ZKOUŠKA 2013
Měření teploty v částech profilů
K ověření způsobu posouzení požární odolnosti WT profilů podle [4] pro standardní způsoby použití jako nosných prvků ocelových konstrukcí byly firmou Kovové profily s. r. o., jako dodavatelem WT profilů na český trh provedeny dvě požární zkoušky ve zkušebně Pavus ve Veselí nad Lužnící v dubnu a červnu 2013. Zkoušky měly svými výsledky navázat na podobné zkoušky provedené v Rakousku v letech 2006 a 2007 [5], byly ale ve srovnání s rakouskými zkouškami komplexnější a bylo sledováno mnohem více hodnot potřebných k ověření návrhového postupu.

Pro stanovení únosnosti za požární situace je nutné stanovit skutečnou teplotu konstrukce nebo její části v určité době trvání požáru. Hodnota meze kluzu oceli při zvýšených teplotách klesá. Kromě meze kluzu klesá i hodnota modulu pružnosti. Závislost parametrů pro teplotu i k hodnotám při běžné teplotě 20 °C je vyobrazena v grafu 1. Teplota plynu za požáru je popsána nominálními křivkami, pro nejčastější případy normovou křivkou dle ISO 834 pro normální požár v budovách.

Teplota konstrukčních prvků v průběhu požáru roste pomaleji než teplota plynu. Rozhodujícím faktorem pro zpomalení nárůstu teploty prvku je součinitel průřezu nechráněných ocelových prvků Am/V [1/m], což je poměr plochy povrchu vystavené požáru na jednotku délky ku objemu prvku na jednotku délky. Proto byl při obou požárních zkouškách kladen rozhodující význam na ověření postupu výpočtu teploty prvku se skutečnou teplotou prvku při požární zkoušce. Požární zkoušky byly provedeny dle postupů stanovených v normách [6], [7] a [8].

V rámci první zkoušky bylo do pece instalováno osm krátkých vzorků WT profilů pro měření teplot v pásnicích a ve stojině. Čtyři vzorky délky 750 mm a 1 000 mm byly volně zavěšeny do pece tak, aby byly ohřívány ze všech stran. Další čtyři shodné vzorky byly instalovány pod strop pece přímo k podhledu z trapézových plechů TR 150/280/0,75, které měly simulovat částečné zakrytí horní pásnice jako u reálných konstrukcí lehkých hal s bezvaznicovým systémem střešních plášťů. Pro ověření teplot pásnic byly ještě volně do pece zavěšeny čtyři samostatné ocelové pásy shodné s profilem pásnic WT profilů. Kromě vzorků určených pouze k měření teploty byl do pece osazen vzorek z profilu WTB 750-250×12 délky 6 m k provedení zatěžovací zkoušky. Měření teplot se provádělo termočlánky připojenými k centrální ústředně, které průběžně snímaly teploty. Termočlánky v pásnicích byly zavrtány do poloviny tloušťky plechu, termočlánky ve stojině byly připájeny k povrchu. V každém vzorku samostatné pásnice byly 3 ks termočlánků, v každém krátkém vzorku WT profilu bylo 15 ks termočlánků, po 3 ks v každé pásnici a 9 ks ve stojině. Vzorek délky 6 m byl osazen celkem 29 ks termočlánků, z toho 8 ks v dolní pásnici, 6 ks v horní pásnici a 15 ks na stojině. Ve stojinách se měřily teploty vždy ve třech místech jednoho řezu. Celkem bylo instalováno 161 termočlánků, z nich dva ks byly během zkoušky znehodnoceny. Na obr. 4 a 5 je pohled do pece s instalovanými vzorky, na kterých jsou vidět osazené termočlánky. Průběh teplot byl sledován po dobu 30 minut a po tuto dobu probíhal ohřev prostoru pece dle nominální normové křivky, teplota v peci je na grafu 2. Naměřené teploty dolní pásnice a stojiny vybraného krátkého vzorku v porovnání s vypočtenými teplotami jsou na grafech 3 a 4.

Při druhé zkoušce byl do pece osazen jenom vzorek délky 6 m. Po vyhodnocení výsledků z první zkoušky byl pro ověření ovlivnění teploty stojiny silnějšími pásnicemi zvýšen počet termočlánků v pásnicích i ve stojině. V pásnicích byly termočlánky osazeny navíc ještě uprostřed šířky pásu a ve stojině byl po výšce průřezu počet termočlánků zvýšen ze tří na sedm. Celkem bylo na dlouhém vzorku při druhé zkoušce osazeno 55 termočlánků. Jejich rozmístění je na obr. 6.

Zatěžovací zkouška
Pro zatěžovací zkoušku dlouhého vzorku bylo zvoleno zatížení o 20 % vyšší, než byla vypočítaná smyková únosnost stojiny. Vzorek byl navržen tak, aby primárně došlo ke smykovému porušení stojiny a ne k ohybovému kolapsu pásnic. Dlouhý vzorek určený k zatěžovací zkoušce byl osazen jako prostý nosník. Zatěžovací lisy byly umístěny ve třetinách rozpětí a v místě osamělých břemen byl profil opatřen výztuhami tl. 25 mm. Tloušťka výztuh byla vypočtena tak, aby při zkoušce nedošlo k lokálnímu porušení v místě vnášení zkušebních sil do nosníku. Předmětem zkoušky bylo stanovení smykové únosnosti stojiny pro posouvající sílu a ne lokální únosnost konstrukční úpravy pod osamělým břemenem. Na horní pásnici byl instalován trapézový plech TR 150/280/0,75 k simulaci částečného zakrytí horní pásnice střešním pláštěm, ale nikoliv k zajištění stability horní pásnice. Stabilita horní pásnice byla zajištěna v podporách a v místě vnášení zatížení, protože konstrukční uspořádání lisů neumožnilo uvažovat nezajištěné svislé působení. Pohled na uspořádání lisů je na obr. 7. Při první zkoušce došlo k poruše hydraulického zařízení pro vnášení zatěžujících sil, což se však nedotklo věrohodnosti výsledků měření teplot vzorků. Zatěžovací zkouška dlouhého vzorku byla opakována s novým vzorkem, u kterého byl současně zvýšen počet termočlánků z původních 29 ks na 55 ks. Geometrie vzorku byla shodná. Zatěžovalo se dvojicí lisů ve třetinách rozpětí a síla na každém lisu byla 60 kN. Vypočtená smyková únosnost stojiny pro R15 postupem dle [4] byla 50 kN. Zatěžovací část druhé zkoušky byla ukončena po 16 minutách, kdy došlo k nárůstu deformace vzhledem k zplastizování stojiny. Měření teplot vzorku pokračovalo až do 30. minuty, kdy byla zkouška ukončena. Deformace stojiny po zkoušce je na obr. 8.

APLIKACE VÝSLEDKŮ POŽÁRNÍ ZKOUŠKY PRO STANOVENÍ POŽÁRNÍ ODOLNOSTI
Definitivní zpráva o provedených zkouškách, kterou zpracovává Pavus, nebyla v době psaní tohoto článku ještě k dispozici. Předběžné výsledky z obou měření ale ukazují, že WT profily je možné bezpečně navrhovat a používat i pro konstrukce, u kterých je požadována požární odolnost. Výpočetní model pro provozní stav, tj. oddělené posuzování vlnité stojiny na smyk v rovině stojiny a pásnic pro všechny ostatní složky vnitřních sil je aplikovatelný i pro požární posudek. Základní poměr Am/V se uplatní samostatně pro pásnice a samostatně pro stojinu. To je rozdíl od běžných profilů, kde se uplatňuje tento poměr pro celý průřez. Vliv stojiny na teplotu pásnic se ukázal jako zanedbatelný v souladu s očekáváním. Naopak významnější je pro návrh stojiny vliv pásnic, které způsobují snížení teploty stojiny v částech, které k pásnicím přiléhají a tím dochází ke zvýšení únosnosti stojiny ve smyku. Stojina je i při požárním zatížení klasifikována jako průřez třídy 3 bez vlivu lokálního boulení. Tento
předpoklad byl potvrzen i výpočtem dle [11]. Dostatečná požární únosnost WT profilů byla potvrzena i zatěžovací zkouškou konkrétního profilu, která prokázala o 20 % vyšší únosnost než dle výpočtu. Vliv opravného součinitele zastínění s ohledem na tvar profilu „I“ je pro stojiny s vlivem reálného poměru Am/V zanedbatelný a uplatní se pouze při návrhu pásnic. Výsledky zkoušek v peci odpovídají teplotám pásnic bez uplatnění zastínění, protože teplota v peci musí odpovídat požadavkům zkušebních norem na minimální odchylku teplot od nominální normové křivky v celém prostoru pece. Teplota stojiny nosníku z druhé zkoušky je vyobrazena v grafech 5 a 6 pro svislé a vodorovné řezy. Polohy termočlánků jsou patrné na obr. 6.

Výsledky zkoušek budou aplikovány v připravovaném výpočetním programu pro navrhování WT profilů dle harmonizovaných evropských norem pro provozní i požární stav.

LITERATURA:
[1] ČSN EN 10025-2 Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí – Část 2: Technické dodací podmínky pro nelegované konstrukční oceli, ČNI 2007
[2] ČSN EN 1993-1-1 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI 2011
[3] ČSN EN 1993-1-5 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-5: Boulení stěn, ČNI 2010
[4] ČSN EN 1993-1-2 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI 2010
[5] Prüfbericht Nr.: 07040315, IBS Institut, Linz 2007 
[6] ČSN EN 1363-1 Zkoušení požární odolnosti – Část 1: Základní požadavky, ČNI, 2013
[7] ČSN EN 1365-3 Zkoušení požární odolnosti nosných prvků – Část 3: Nosníky, ČNI 2000
[8] ČSN EN 13381-8 Zkušební metody pro stanovení příspěvku k požární odolnosti konstrukčních prvků – Část 8: Reaktivní ochrana aplikovaná na ocelové prvky, ČNI 2010
[9] Jaroslav Vácha: Profily s vlnitou stojinou – Pomůcka pro projektanty a odběratele WT profilů, Kovové profily 1999 a 2002
[10] Gartner: Sinbeam (Corrugated web beam), Zeman & Co, 2012
[11] Petr Kyzlik: Požární odolnost nosníku s vlnitou stojinou, disertační práce, ČVUT 2013
[12] František Wald a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí. ČVUT, Praha, 2005

Testing of Fire Resistance of the Profile with Corrugated Web
The profile with corrugated web, WT profile, was developed as an economical substitution of high rolled or classically welded I section. WT profile designing for an operational state is solved directly in EN 1993-1-5. Today, design of majority of structures has to take into consideration also fire resistance. Steel constructions with a required resistance minimally of R15 are in majority of cases solved by a calculation in line with EN 1993-1-2. The means of fire resistance evaluation of WT profiles was checked through a loading test of 6-metre-long girder placed in a testing furnace which proved that fire resistance of corrugated web was by 20% higher than the resistance calculated through a common method. Also temperatures in individual parts of the section were measured in order to verify the calculation method and on the basis of measurement results the fire protection calculation algorithm got more precise. Fire testing results are applied into a programme serving not only for evaluation of load-bearing capacity of WT profiles in an ordinary operational state but also in a state of emergency and fire for a required period of fire resistance.

Autor

• Ing. Vácha Jaroslav