Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT SBORNÍK

Transkript

1 Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT SBORNÍK semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí a Editoři: J.Studnička a M.Vovesný Akce byla podpořena prostřednictvím Studentské grantové soutěže ČVUT z prostředků státního rozpočtu určených na MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum.

2 Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí Ed. Studnička, J. a Vovesný, M. Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT ISBN

3 OBSAH Jiří Studnička: Nadace Františka Faltuse... 5 Magdaléna Dufková: Požární odolnost vícepodlažních budov na bázi dřeva... 9 Eva Dvořáková: Kompozitní dřevobetonové konstrukce Lukáš Gödrich: Diskrétní modelování styčníků ocelových konstrukcí Kamila Horová: Šíření požáru ve vícepodlažních budovách Jan Hricák: Průřezy 4. třídy za zvýšené teploty Tomáš Jána: Teplota přípoje nosníku na sloup pomocí U profilu při požáru 19 Jiří Jirků: Modelování požární ochrany Eva Mašová: Styčníky kulatin Pavel Nechanický: Prefabrikované dřevobetonové stropní konstrukce Karel Princ: Dynamické vlastnosti tyčových závěsů na mostech typu Langerův trám Radka Teplá: Systémy konstrukčních táhel při cyklickém zatížení Jan Bednář: Ocelobetonová deska s rozptýlenou výztuží za požáru Tomáš Brtník: Mechanické vlastnosti svarů vysokopevnostních ocelí Martin Charvát: Spřažené ocelobetonové příhradové nosníky Jan Pošta: Nedestruktivní zkoušení dřevěných prvků in-situ Radek Pošta: Vyztužené válcové ocelové skořepiny za vysoké teploty Jan Psota: Numerický model plechobetonové mostovky Štěpán Thöndel: Vyhodnocení zkoušky dvou ocelobetonových nosníků s vysokou žebrovou deskou Martin Vovesný: Mostovkový panel z vyztužených polymerů Tomáš Fremr: Analýza zbytkové únosnosti a robustnosti hybridních nosníků ze skla a oceli Klára Machalická: Lepené spoje konstrukcí ze skla namáhané smykem Kateřina Servítová: Předepnuté pruty z nerezových ocelí

4 Thi Huong Giang Nguyen: Částečně obetonované profily s použitím trnů malých průměrů Václav Hatlman: Dlouhý šroubovaný spoj prvků z vysokopevnostních ocelí Jiří Chlouba: Přípoj s krátkou čelní deskou se zvýšenou požární odolností David Jarmoljev: Implementace nekovových membrán do ocelových konstrukcí Ondřej Jirka: Polotuhé styčníky konstrukcí krovů Petra Kallerová: Petr Kyzlík: Požární odolnost šroubového přípoje trapézových plechů vystavených požáru Požární odolnost spřaženého stropu s ocelobetonovým nosníkem s vlnitou stojinou a ocelobetonové desky Michal Netušil: Hybridní nosníky ze skla a oceli Jiří Skopalík: Dřevěné prostorové konstrukce Zuzana Šulcová: Ivan Tunega: Styčníky ocelových konstrukcí s přerušeným tepelným mostem Částečné smykové spojení ocelobetonových nosníků z materiálů vyšších pevností Radim Vencl: Šroubované spoje nosných konstrukcí ze skla

5 NADACE FRANTIŠKA FALTUSE FRANTISEK FALTUS FOUNDATION Jiří Studnička Myšlenka založit studenty podporující Nadaci Františka Faltuse vznikla při přípravě oslav stých narozenin profesora Faltuse, které připadly na Nadace byla oficiálně založena v únoru 2001 s cílem finančně pomáhat studentům všech forem studia Fakulty stavební ČVUT v Praze, zaměřeným na ocelové konstrukce. Základní jmění Nadace, více než půl milionu Kč, pocházelo z daru dcery prof. Faltuse, paní Ing.Věry Dunder, CSc. z Kalifornie, USA. Jmění Nadace se postupně zvyšuje o dary poskytnuté českým ocelářským a stavebním průmyslem. Činnost Nadace popisují výroční zprávy, účetní uzávěrky a zprávy dozorčí rady pravidelně uveřejňované na webu Nadace Příslušné listiny za rok 2009 přetiskujeme pro informaci čtenářům i v tomto sborníku vydaném s podporou Nadace. 1. Dokumenty Nadace Františka Faltuse za rok 2010 Schůze Správní rady a Dozorčí rady k uzavření roku 2010 proběhla 31. března Byla schválena Výroční účetní uzávěrka za rok 2010 a Výroční zpráva za rok Dozorčí rada předložila svoji Výroční zprávu za rok Výroční zprávu otiskujeme dále. 1.1 Hospodaření Nadace v roce 2010 Vklad Nadace je uložen na termínovaném účtu /0100 u Komerční banky, Podvinný mlýn 2, Praha 9. Pro zasílání darů je zřízen běžný účet /0100 u téže banky. Stav jmění Nadace k byl ,19 Kč, stav k je ,54 Kč. 1.2 Činnost Nadace v roce 2010 Sedmá výzva k předložení žádostí studentů postgraduálního studia o podporu byla zveřejněna Na výzvu se s žádostí o příspěvek přihlásili Ing. Václav Hatlman, Ing.Jiří Chlouba, Ing.Petra Kallerová a Ing.Michal Netušil a byla jim poskytnuta podpora na dokončení disertace 4 x ,- Kč, takže bylo vyplaceno celkem Kč. Pro studenty bakalářského i magisterského studia a pro pomocné vědecké síly katedry ocelových konstrukcí bylo dne uspořádáno Kolokvium Františka Faltuse. Účast na kolokviu byla z prostředků Nadace FF dotována finanční odměnou Kč pro každého účastníka. Celkem se zúčastnili 4 studenti a bylo jim tudíž vyplaceno Kč. Postgraduální studenti katedry vystoupili na dvoudílném Semináři doktorandů dne a a publikovali výsledky svých výzkumů ve sborníku vydaném k tomuto semináři. Za vystoupení na semináři a za publikaci příspěvku byly každému autorovi vyplaceny 4000,- Kč. Ve sborníku publikovalo a na semináři vystoupilo celkem 13 studentů, takže bylo vyplaceno celkem Kč. Pomocnému editorovi sborníku Ing.M.Vovesnému byly za přípravu textu vyplaceny 2000,- Kč. Za vytištění sborníku bylo zaplaceno 9 918,72 Kč. Celkové výdaje za seminář tudíž činily ,72 Kč

6 Diplomantům katedry ocelových konstrukcí (magisterské studium), kteří obhájili práci z oboru ocelových konstrukcí s hodnocením A, bylo vyplaceno 2 000,- Kč. Takto obhájilo v lednu 2010 celkem 10 studentů, takže na těchto odměnách bylo vyplaceno celkem ,-Kč. Pro studenty bakalářského studia byla zakoupena skripta v celkové ceně ,-Kč. Ve prospěch studentů katedry tak bylo v roce 2010 vynaloženo celkem ,72- Kč. Provozní náklady Nadace se v roce 2010 omezily pouze na úhradu účetní práce s přípravou daňového přiznání (6 000,-Kč) a úhradu ze vedení účtu v Komerční bance ( Kč). Výnosy z úroků činily 1 568,07 Kč. Všichni členové Správní a Dozorčí rady se zřekli nároku na odměnu. Předsedou Správní rady byly i v roce 2010 osloveny firmy z oblasti stavebních ocelových konstrukcí s žádostí o dary Nadaci. Žádosti se setkaly s příznivou odezvou a během roku 2010 tak bylo shromážděno Kč, za což patří všem dárcům velké díky. V Praze 31. března 2011 Prof.Ing.Jiří Studnička, DrSc., v.r., předseda správní rady Prof.Ing.František Wald, CSc., v.r., člen správní rady pověřený funkcí tajemníka Ing.Antonín Pačes, v.r. člen správní rady pověřený funkcí pokladníka 2. Výroční účetní uzávěrka Nadace Františka Faltuse za rok 2010 Stav nadačního jmění k : ,19 Kč Dary v roce 2010 Seznam finančních darů NFF dle výpisu z účtu: Datum dar dárce ,00 Tension Systems ,00 Žižka Jiří ,00 Žižková Jana ,00 VALBEK ,00 Metroprojekt ,00 Allcons ,00 SMP CZ ,00 Metrostav ,00 Malcon ,00 Mott MacDonald Praha ,00 MCE Slaný ,00 Harsco Infrastructure ,00 VPU DECO ,00 ALIAZ-Ocelové konstrukce ,00 SDS EXMOST ,00 Ing. Software Dlubal ,00 EXCON ,00 SUDOP ,00 ČKAIT - 6 -

7 ,00 SKÁLA & Vít ,00 INDBAU ,00 RUUKKI ,00 Matějka Engineering Celkem ,00 Vyplaceno přímo studentům ,00 Tisk sborníku 9 918,72 Skripta ,00 Ve prospěch studentů celkem ,72 Náklady Úhrada za účetní práce 6 000,00 Poplatky bance 4 196,00 Náklady celkem ,00 Výnosy = úroky 1 568,07 Stav nadačního jmění k ,54 Z toho: - na termínovaném vkladu ,62 - na běžném účtu ,92 3. Zpráva Dozorčí rady Výroční zpráva Dozorčí rady Nadace Františka Faltuse ze dne potvrdila, že Správní rada postupovala v roce 2009 podle statutu Nadace a podle Zákona o nadacích a nadačních fondech a o změně a doplnění některých souvisejících zákonů č.227 ze dne Dozorčí rada dále potvrdila, že účetní operace v účetní uzávěrce za rok 2010 odpovídají statutu Nadace. V Praze Doc.Ing.Tomáš Rotter, CSc., předseda dozorčí rady Prof.Ing.Josef Macháček, DrSc., člen Ing.Emil Steinbauer, člen - 7 -

8 4. Krátký životopis F.Faltuse Dlouholetý profesor ČVUT a nejznámější postava ocelových konstrukcí Československa druhé poloviny dvacátého století František Faltus se narodil českým rodičům ve Vídni. Tam také vystudoval střední školu a v roce 1923 s vyznamenáním i Technickou univerzitu. Po studiích nastoupil u projekční firmy Waagner Biro, kde se zapojil do projektování mostu přes Dunajský kanál. Přitom v roce 1925 také získal na TU Vídeň doktorát za disertační práci Příspěvek k výpočtu staticky neurčitých konstrukcí (Beitrag zur Berechnung statisch unbestimmter Tragwerke). V roce 1926 se mladý Dr. Ing. Faltus přemístil z Vídně do Plzně, kde nastoupil zaměstnání v konstrukci Škodových závodů. Jako velmi inspirující se pro F.Faltuse ukázala účast na první přípravné schůzi tehdy zakládané inženýrské organizace IABSE v Curychu v roce 1926, kde se velká pozornost věnovala tehdejší novince ve spojování ocelových konstrukcí, svařování elektrickým obloukem. Dr.Ing. Faltus rozpoznal význam novinky i pro praxi stavebních ocelových konstrukcí a po návratu z Curychu inicioval ve Škodovce rozsáhlé výzkumné práce na poli svařování, nejprve související se svařováním tzv. prolamovaných nosníků. Po zdokonalení praktického svařování byl u zrodu tehdy ve světě největšího celosvařovaného příhradového mostu s rozpětím 49,6 m postaveného v areálu Škodovky v Plzni, který byl dohotoven v roce Toto rozpětí bylo za dva roky překonáno celosvařovaným obloukovým silničním mostem přes Radbuzu rovněž v Plzni. Oblouk má rozpětí 51 m a po rekonstrukci a rozšíření mostovky na konci minulého století je i dnes v plném provozu. Ve výzkumu svařování F.Faltus pokračoval celý život a jako významný odborník byl žádán o rady třeba i při svařování tlakové nádoby první československé atomové elektrárny A1 v Jaslovských Bohunicích. Je také autorem známé příručky pro svařování, která posloužila ke studiu mnoha generacím svářečů. Jako teoreticky zdatný a praxí zocelený odborník neunikl F.Faltus pozornosti vysokého školství. Již v roce 1938 se začala projednávat jeho profesura na Vysoké škole inženýrského stavitelství v Praze, okupace ale jmenování zdržela o sedm let. Na fakultu inženýrského stavitelství ČVUT se tak Faltus dostal až po ukončení války v roce 1945, kdy doslova z ničeho zde vybudoval Ústav ocelových konstrukcí. V roce 1947 také zastával jeden rok funkci děkana. Po sloučení tří stavebních fakult (FIS, FAPS a fakulty zeměměřické) do jedné Fakulty stavební v roce 1960 vedl až do roku 1970 katedru ocelových konstrukcí této velké fakulty. Profesor Faltus byl přirozeně i velmi známou osobou ve světě. Za významnou činnost v IABSE byl jmenován v roce 1975 čestným členem této největší mezinárodní inženýrské organizace, přednášel na univerzitách v USA, Číně, Sovětském svazu a v mnoha zemích Evropy. I po odchodu z katedry ocelových konstrukcí v roce 1970 stále ještě vedl vědecké aspiranty katedry. Dokud mu zdraví sloužilo, zajímal se o ocelové konstrukce, psal odborné posudky atd. Zemřel po delší nemoci na podzim roku

9 POŽÁRNÍ ODOLNOST VÍCEPODLAŽNÍCH BUDOV NA BÁZI DŘEVA FIRE RESISTANCE OF MULTI-STOREY TIMBER BASED BUILDINGS Magdaléna Dufková Abstract The behaviour of timber during the fire is coming more and more to the focus of attention of engineering public. Popularity of family and residential houses made of timber has grown recently. This project should analyze fire resistance of multi-storey buildings made from light timber frames. Calculation methods given by Eurocodes are applicable simplistically and only for limited number of building components. Fire experiments and their consequential evaluation by numeric and analytical models are for scientific activity in this field indispensable. In addition to solving of fire resistance of single parts of light frames (floors, walls) and their relation to particular type of materials will this project solve the impact of the contribution of the fire resistance of the board materials on the construction components. The new test method will be evaluated consequently. Key words: light frame timber construction, fire resistance, fire safety, timber construction, the contribution of the fire resistance ÚVOD U vícepodlažních bytových dřevostaveb převažuje skeletový konstrukční systém. Jde o sestavu tvořenou sloupky z rostlého dřeva s prázdnými nebo vyplněnými dutinami, krytými obalovými konstrukcemi (nejčastěji se jedná o sádrové nebo dřevotřískové desky). Tyto obalové konstrukce velmi dobře přispívají k požární odolnosti konstrukčních dílců a prvků. Eurokód [1] zjednodušeně řeší tuto problematiku pouze pro určité obalové konstrukce a pro dobu požární odolnosti do 60 minut. Klíčové je zjištění počátku zuhelnatění dřevěného prvku, při němž tento prvek dosáhne teploty 300 C. Pomocí nové zkušební normy ENV , která ještě není v ČR zcela obvyklá, lze stanovit rychlost zuhelnatění pro chráněný a nechráněný prvek (obr. 1) a na základě poměru těchto hodnot vypočítat požární odolnost. Legenda Key 1 nechráněný prvek unprotected member 2 chráněný prvek protected member Obr. 1: Znázornění závislosti hloubky zuhelnatění na čase pro nechráněný dřevěný prvek (křivka a) a dva rozdílné případy chráněných dřevěných prvků (křivky b a c) [2] Fig. 1: Illustration of charring depth versus time for unprotected (curve a) and two different cases of protected timber members (curves b and c) [2] - 9 -

10 EXPERIMENTY Celková analýza zkoušek pomáhá předpovídat chování konstrukcí za požáru a rozvíjet a zdokonalovat výpočetní postupy, numerické a analytické modely. Ve světě i v České republice se provádějí zkoušky na celých konstrukcích pro vědecké účely. Při těchto experimentech je konstrukce vystavena reálnému požáru (parametrická teplotní křivka, zónový model). Také se provádějí zkoušky jednotlivých konstrukčních dílců, které slouží pro certifikaci výrobků. Při těchto zkouškách se prvky zatěžují nejčastěji podle normové nominální teplotní křivky. Pro ověření dělicí funkce dřevěných sestav byla na základě experimentů vyvinuta metoda CAM (Component additive method). Požární odolnost je dle této metody získána součtem příspěvků k požární odolnosti jednotlivých vrstev (vrstvy s ochrannou funkcí a vrstvy s izolační funkcí - první vrstva na neexponované části prvku), viz obr. 2. Tato metoda byla rozvíjena v UK, Kanadě a Švédsku (aktuální návrhová metoda EN (příloha E) je založena na švédské verzi component additive method) [3]. Obr. 2: Dřevěné rámové stěnové a stropní sestavy: očíslování a funkce jednotlivých vrstev [3] Fig. 2: Timber frame wall and floor assemblies: numbering and function of different layers [3] ZÁVĚR Disertační práce bude zaměřena na zkoumání příspěvku deskových materiálů k požární odolnosti dřevěných konstrukčních prvků a dílců. Dílčí úlohou bude zjištění času t pr (čas porušení protipožární ochrany, tedy dosažení teploty dřevěného prvku 300 C). Výsledky plánovaných zkoušek budou porovnány s připravovaným numerickým a analytickým modelem. Při návrhu požární odolnosti dřevěných prvků a dílců je třeba vzít v úvahu, že rychlost zuhelnatění je v případě chráněného prvku jiná, než v případě nechráněného. Pokud protipožární ochranné obložení odpadne, například následkem ztráty přilnavosti nebo selháním uchycení, rychlost zuhelnatění chráněného prvku bude vyšší než rychlost zuhelnatění nechráněného prvku. Toto je třeba do výpočtu zahrnout. OZNÁMENÍ Výzkum, jehož výsledky se prezentují v tomto příspěvku, byl podpořen grantem SGS11/108/OHK1/2T/11. LITERATURA [1] ČSN EN Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí Část 1 2: Obecná pravidla Navrhování konstrukcí na účinky požáru. ČNI, Praha 2006 [2] ENV , Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members Part 7: Applied protection to timber members. CEN, 2008 [3] Frangi A., Schleifer V., Fontana M.: Design model for the verification of the separating function of light timber frame assemblies, Engineering Structures 32, 2010, p

11 KOMPOZITNÍ DŘEVOBETONOVÉ KONSTRUKCE TIMBER-CONCRETE COMPOSITE STRUCTURES Eva Dvořáková Abstract In recent years, the use of timber-concrete structures has considerably increased especially in case of reconstructions and constructions of prefabricated residential houses. One of the most important requirements of these structures is fire resistance. Author s research should improve the knowledge on the field of fire resistance design of the timber-concrete structures. Therefore, the aim is based on the generalizing of the results, which will serve as a device for civil engineering practice to be able to safely and economically design such a kind of structure in case of fire. As a next step of the research, analysis of interaction between both materials will be carried out to improve the performance. This paper deals with recent state of knowledge in timber-concrete structures. Main part of the paper is closely connected with Author s doctoral thesis, where main scope is to describe accurately the behaviour of these structures in case of fire. Key words: timber, concrete, timber-concrete composite structures, fire resistance ÚVOD Dřevobetonové kompozitní konstrukce reprezentují stavební technologii široce uplatňovanou na celém světě jako efektivní způsob zesilování a ztužování existujících stropních desek a nových konstrukcí. Spojení dřeva s betonem se jeví jako výhodné, neboť existující dřevěné podlahy mohou zůstat neporušené a jsou pouze posíleny přidáním betonové desky. Rozvoj problematiky těchto stropů souvisí se širším uplatněním dřeva v bytové výstavbě zejména při realizaci vícepodlažních dřevostaveb. Spřažením betonové desky s dřevěnou konstrukcí se dosáhne zvýšení únosnosti a tuhosti systému [1]. Použitím spřaženého stropu se výrazně redukuje jeho kmitání, které je u čistě dřevěných stropů často vnímáno jako rušivé. Dřevobetonové konstrukce mají dobré akustické vlastnosti a zlepšují vzduchovou a kročejovou neprůzvučnost. Při požáru tvoří betonová deska účinnou bariéru proti šíření plamene, čímž je výrazně zlepšena požární odolnost konstrukce v porovnání s čistě dřevěným stropem [2]. Požární odolnost dřevobetonových prvků je definována dřevem a spřahovacími prostředky [3]. Z výsledků dosavadních zkoušek vyplývá, že chování při požáru je ovlivňováno teplotně závislým poklesem mechanických vlastností dřeva, spřažení a částečně i betonu. Rozhodujícím faktorem je zmenšování průřezu dřevěného prvku kvůli odhořívání dřevní hmoty a snižující se smyková pevnost a tuhost spojovacích prostředků. Při vystavení stropní konstrukce účinkům požáru je nutné znát vlastnosti jednotlivých částí kompozitní dřevobetonové konstrukce při vysokých teplotách, které jsou závislé na rozměrech, tvaru, povrchu, hustotě a vlhkosti dřevní hmoty, velikosti požárního zatížení a teplotě plynu v požárním úseku v průběhu požáru. Tuhost smykového spojení k [N/mm2], která řídí rozdělení napětí po průřezu, je při požáru ovlivňována zejména teplotou dřeva v okolí spřahovacích prostředků a se zvyšující se teplotou rychle klesá. Teplota dřeva v okolí spřažení závisí nejvíce na vzdálenosti osy spřahovacího prostředku od okraje průřezu, tedy na tzv. krytí. V místě smykového spojení může být vývoj teploty řízen rozměrem příčného řezu (zejména šířkou) a druhem požárního scénáře. EXPERIMENTY Za účelem poznání chování dřevobetonových konstrukcí za požáru byl proveden Frangim a Fontanou výzkum na ETH v Curychu. Jejich studie se zaměřila na dva oddělené systémy, a to deskový typ z

12 masivní dřevěné deskové konstrukce složené z prken spojených hřebíky nebo lepených lamelových nosníků, které mají v horní části drážky pro spojení s betonem a které jsou opatřeny vlepovanými trny do předvrtaných otvorů podél těchto drážek. Druhým systémem byl nosníkový typ, kde byl dřevěný nosník pomocí samovrtných vrutů zavrtaných pod úhlem 45 spojen přes záklop z překližované desky s betonovou deskou. Z výzkumu vyplynulo, že tuhost spřažení klesala s rostoucí teplotou pouze u spřažení pomocí vrutů. U spřažení s vyfrézovanými zářezy a vlepovanými trny nebyl pozorován žádný prokluz mezi dřevěným prvkem a betonem až do zatížení odpovídající hodnotě mezního stavu použitelnosti (přibližně třetina zatížení v mezním stavu únosnosti při běžné teplotě), což znamená, že v průběhu působení požáru nedochází ke snižování tuhosti spřažené konstrukce. Jak požár během požární zkoušky postupoval, rostl kvůli zmenšující se ploše příčného řezu dřevěného prvku a vlivem teploty svislý průhyb a prokluz mezi betonovou deskou a dřevěným nosníkem [3]. Jiný výzkum, který proběhl v nedávné době na Novém Zélandě [4], vyšetřoval chování dřevobetonových konstrukcí za požáru a hodnotil výpočetní metody pro posouzení požární odolnosti těchto kompozitních systémů. Zkoušky v laboratorní komoře byly provedeny na dvou vzorcích skutečné velikosti v Building Research Association of New Zealand (BRANZ). Spojení mezi dřevem a betonem bylo dosaženo pomocí zářezů do dřevěného prvku se smykovými spojovacími prostředky, zabraňujícími nadzdvižení v prvním případě a ocelové desky s prolisovanými trny lisované mezi dvojité nosníky v případě druhém. Bylo zjištěno, že zmenšování průřezu dřevěného prvku vlivem požáru vede ke kolapsu stropní konstrukce. Ta selhala po 75 minutách podle nominální teplotní křivky a zbytkový průřez tvořil pouze 15% původního průřezu. Vzhledem ke kompozitnímu chování, jež je dosaženo spřažením, byly stropní konstrukce schopny odolávat působení požáru po delší časový úsek. Kompozitní chování tak pomáhalo ke zvýšení požární odolnosti ve srovnání s podobnými zkouškami nespřaženého nosníku z vrstveného dřeva (LVL - Laminated Veneer Lumber) ve stejné peci [4]. ZÁVĚR Plánovaný výzkum si klade za cíl zlepšit znalosti na poli požárního návrhu dřevobetonových konstrukcí a obecně tak umožnit inženýrské veřejnosti jejich bezpečný a ekonomický návrh. Řešení je založeno na vyhodnocení vlastního experimentálního programu. Předpokládá se také provedení dalších experimentů dle vlastního návrhu uspořádání. Bude vypracována studie možností provádění podélného smykového spřažení u těchto konstrukcí tak, aby i za požáru fungovalo optimální spolupůsobení obou materiálů a bude ověřena technologie spřažení dřeva a betonu za požáru. Bude vytvořen zjednodušený analytický model pro stanovení požární odolnosti kompozitních dřevobetonových konstrukcí. OZNÁMENÍ Tato práce byla podpořena grantem studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS11/109/OHK1/2T/11. LITERATURA [1] Kuklíková A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce. ČVUT v Praze, Disertační práce, 2004 [2] Ceccotti A.: Timber-concrete composite structures. Timber engineering STEP2, Centrum Hout, 1995 [3] Frangi A., Fontana M.: A design model for the fire resistance of timber-concrete composite slabs. Proceedings of the IABSE Conference on Innovative Wooden Structure and Bridges, Lahti, 2001 [4] O Neill J.W.: The fire performance of timber-concrete composite floor. Christchurch, Doctoral thesis,

13 DISKRÉTNÍ MODELOVÁNÍ STYČNÍKŮ OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ DISCRETE MODELING OF JOINTS OF STEEL STRUCTURES Lukáš Gödrich Abstract Component method is nowadays the most commonly used method for the design of joints. This method is simple and reliable and most suitable for frequently used joints. However, this method is hardly applicable for the design of complex joints with unusual geometry or for the joints with complex load. It is expected to create a numerical model using finite element method for the design of such complex joints. The research focuses on the creation of rules and recommendations for modeling of end plate joints with general geometry and general loading using the finite element method. Key words: joint, component method, finite element method, general geometry, general loading ÚVOD V současné době je návrh styčníků nejčastěji prováděn pomocí metody komponent. Tato metoda je ovšem těžko použitelná pro návrh styčníků se složitou geometrií, které obsahují dosud nepopsané komponenty, viz obr. 1. Některé dosud nepopsané komponenty jsou předmětem zkoumání, jako například T-průřez se čtyřmi šrouby v jedné řadě [1]. Ovšem složité styčníky mohou obsahovat více takovýchto komponent. Na geometrii přípoje mohou být kladeny pokaždé jiné nároky. Je tudíž prakticky nemožné popsat všechny komponenty, z nichž může být styčník složen. Z tohoto důvodu je snaha použít pro návrh komplikovaných styčníků metod konečných prvků. MODELOVÁNÍ STYČNÍKŮ POMOCÍ MKP Touto metodou je možné namodelovat styčník jakékoliv geometrie. Pro modelování je možné použít prostorové nebo deskostěnové prvky. Užitím prostorových prvků se dosáhne nejpřesnějších výsledků, ovšem výpočet je časově náročný. Při užití deskostěnových prvků je nutné provést určitá zjednodušení, výpočet však probíhá mnohem rychleji. Autor předpokládá užití deskostěnových prvků, proto je v rámci výzkumu nutné ověřit, zda tato zjednodušení nepovedou k nepřesným výsledkům. Metoda konečných prvků se pro modelování přípojů používá již mnoho let, doposud však většinou k výzkumným účelům [2]. V takovýchto případech byly nejprve provedeny materiálové zkoušky, které sloužily ke stanovení materiálových vlastností základních prvků styčníku. Následně se v numerickém modelu tyto vlastnosti přiřadily použitým prvkům. Tento postup dává přesné výsledky a ve výzkumu slouží především pro parametrické studie a ověření analytického modelu. V praxi je však nemožné provádět pro každý styčník materiálové zkoušky. Chceme-li tedy metodu konečných prvků použít také pro praktické navrhování, je nutné přístup poněkud pozměnit. Pro základní materiál čelní desky, spojovaných prutů a případných výztuh se předpokládá elasticko-plastické chování, nominální hodnota meze kluzu bude stanovena dle třídy oceli. Posouzení čelní desky, spojovaných prutů a výztuh v plastickém stavu bude založeno na maximálním dovoleném přetvoření. Šrouby budou modelovány zjednodušeně pomocí speciálního MKP prvku, který bude zohledňovat chování šroubu včetně spojovaných plechů a podložek. Matice tuhosti speciálního MKP prvku v tahu bude složena z jednotlivých dílčích tuhostí šroubu v tahu, tuhosti spojovaných plechů a podložek v tlaku. Jednotlivé tuhosti se budou sčítat jako sériově zapojené pružiny. Tuhost ve smyku bude stanovena ze sériově zapojených pružin reprezentujících tuhost šroubu ve smyku a tuhosti spojovaných plechů v otlačení

14 EXPERIMENTY Obr. 1: Styčník komplikované geometrie Fig. 1: Joint with complex geometry V rámci výzkumu jsou naplánovány dva typy zkoušek. Nejprve budou provedeny experimenty zaměřené na získání pracovních diagramů jednotlivých komponent. Především se tedy jedná o stanovení maximálního přetvoření pro posuzování čelní desky, spojovaných prutů a výztuh. Dále půjde o stanovení pracovního diagramu speciálního MKP prvku v tahu a ve smyku. V druhém typu zkoušek budou testovány celé přípoje s komplikovanou geometrií. K těmto experimentům budou vytvořeny odpovídající numerické modely a bude porovnávána jejich vzájemná shoda. První typ zkoušek se již v současné době plánuje a část z nich bude provedena do konce roku ZÁVĚR Výzkum je zaměřen na tvorbu pravidel a doporučení pro numerické modelování styčníků s využitím metody konečných prvků a použití těchto výsledků pro skutečné navrhování. Vytvořený model bude popisovat chování styčníku se zohledněním nelineárních materiálových vlastností, kontaktů, atd. Model bude schopen určit skutečné průběhy napětí ve styčníku a tím umožní efektivní návrh přípojů. OZNÁMENÍ Výzkum je podporován grantem SGS11/110/OHK1/2T/11. LITERATURA [1] Jaspart J.P.: Expert report on particular aspects of the design verification of Astron light gage steel building bolted moment connections, Liège, [2] Virdi K.S.: Numerical simulation of semi-rigid connections by the finite element method, COST C1, Liège,

15 ŠÍŘENÍ POŽÁRU VE VÍCEPODLAŽNÍCH BUDOVÁCH TRAVELLING FIRE IN MULTI-STOREY BUILDINGS Kamila Horová Abstract The paper describes models of the design fire environment for structural analysis of multi-storey buildings that are outside the range of applicability of nominal methods. The travelling fire is investigated. The structural response due to a travelling fire with the common design assumption of a uniform fire is compared. The question of worst-case structural response should be considered. Key words: multi-storey buildings, travelling fire, uniform fire, near field temperature, far field temperature ÚVOD Častým jevem, zejména ve velkých požárních úsecích (PÚ), je postupné šíření požáru. Stejně tak v atriích či propojených podlažích je nereálné, aby oheň zahltil celý prostor najednou. Pro nedostatek informací v oblasti šíření požáru bylo doposud toto chování nahrazováno lokálním požárem nebo rovnoměrným hořením v celém úseku. Ve skutečnosti jsou ale objekty vystaveny účinkům šíření požáru. Ve studiích lze nalézt pokusy o vytvoření modelu šíření požáru, viz [1]. Z pohledu bezpečného návrhu je důležité, který z uvedených postupů (rovnoměrné hoření v celém PÚ nebo šíření požáru) přesněji popisuje mechanickou odezvu konstrukce. MODELY ŠÍŘENÍ POŽÁRU První modely šíření požáru byly připraveny v roce 1994 ve studii [2]. V PÚ o velikosti 22,8 m x 5,6 m x 2,75 m s větracím otvorem 5,6 m x 2,75 m v přední stěně a hustotou požárního zatížení 380 MJ/m 2 byly provedeny 4 experimenty. Společným znakem všech čtyř experimentů je dřívější výskyt maximální teploty v přední části PÚ (blíže větracímu otvoru) než v zadní. Toto chování je v [2] označeno za šíření požáru. Ve všech čtyřech případech byla zapálena řada hranic dřeva umístěná v zadní části PÚ. Požár se samovolně šířil na řadu ležící vpředu. Zatímco přední hranice vyhořely celé, požár na zadních hranicích ustával díky nedostatku kyslíku způsobeným hořením předních hranic dřeva. Když došlo k vyhoření předních hranic dřeva, šířil se požár postupně zpět přes ostatní nevyhořelé hranice do zadní části PÚ. Podobné chování požáru bylo rovněž zaznamenáno v experimentu, při kterém bylo zapáleno všech 30 hranic dřeva současně. Clifton v roce 1996 popsal model požáru velkého požárního úseku, pro který nelze použít předpoklad rovnoměrného hoření, viz [3]. V takových případech může být požár popsán pomocí malých ploch, do kterých se PÚ rozdělí. Plně rozvinutý požár se bude vyskytovat vždy jen na tomto malém úseku, než se přesune do úseku vedlejšího. Závislost teploty na čase v každé malé ploše je popsána pomocí parametrické teplotní křivky. Maximální velikost plochy jednotlivých úseků by neměla překročit 100 m 2. V případě takového rozdělení, zajištění dostatečné ventilace z vnějšího prostředí a daného požárního zatížení, vykazoval Cliftonův model šíření požáru z úseku na úsek v horizontu 20 min. Příklad jednoho z modelů je na obr. 1. Další metoda modelování šíření požáru ve velkých PÚ je vyvíjena vědci Reinem a Stern-Gottfriedem od roku 2007, viz [4]. Studie je založena na předpokladu, že teploty ovlivňující konstrukci v PÚ lze díky šíření lokálního požáru rozdělit na teploty tzv. blízkých polí a vzdálených polí. Teploty blízkého pole je dosaženo přímým vlivem plamenů na konstrukci, zatímco teploty vzdálených polí vznikají díky zvýšené teplotě okolních plynů. Za předpokladu rovnoměrného rozložení paliva je doba působení teploty blízkého pole podle [4] rovna 19 min, což odpovídá i výsledkům Cliftonova modelu

16 Ve studii [5] je porovnána odezva betonové předpjaté stropní desky na šíření požáru v horizontální rovině s účinkem homogenního teplotního pole v celém PÚ. Studie prokázala, že scénář šíření požáru (aplikace stejných křivek hoření s posunutým počátkem hoření v různých částech úseku) značně ovlivňuje deformace konstrukce. Střídání fáze rozhořívání a chladnutí může přivodit nárůst a pokles deformace v čase. Na základě výsledků z numerických analýz nelze stanovit, který požární scénář ovlivní odezvu konstrukce razantněji. Je proto vhodné zařadit popisovaný model šíření požáru mezi ostatní uvažované scénáře tak, aby byl vystižen nejhorší možný případ. ZÁVĚR Obr. 1: Cliftonův model šíření požáru v PÚ s ventilací na jedné straně Fig.1: Clifton s model of travelling fire in one-side ventilated compartment Článek shrnuje známé modely šíření požáru ve vícepodlažních budovách. Podle nedávných poznatků mohou být nominální metody návrhu vícepodlažních konstrukcí za požáru nedostačující. Dynamiku požáru ve složitých PÚ dobře vystihuje model šíření požáru. Může způsobit větší mechanickou odezvu konstrukce než u rovnoměrného hoření. Je proto vhodné zahrnout i model šíření požáru mezi uvažované scénáře. OZNÁMENÍ Výzkum, jehož výsledky se prezentují v tomto příspěvku, byl podpořen projektem LD11039 a grantem SGS č LITERATURA [1] Ellobody E., Bailey C.G.: Structural Performance of a Post-tensioned Concrete Floor during Horizontally Travelling Fires, Engineering Structures Manuscript Draft, Manuscript number: ENGSTRUCT-D , Manchester, [2] Cooke G.M.E.: The severity of fire in a large compartment with restricted ventilation, Fire Safety on Ships, Paper 5, IMAS 94, The Institute of Marine Engineers, London, [3] Clifton C.: Fire Models for Large Firecells, Hera Report R4-83, Heavy Engineering Research Association, Auckland, [4] Stern-Gottfried J., Rein G., Lane B., Torrero J.L.: An innovative approach to design fires for structural analysis of non-conventional buildings, a case study, Proceedings of International Conference on Applications of Structural Fire Engineering, Czech Technical University, Prague, [5] Ellobody E., Bailey C.G.: Structural Performance of a Post-tensioned Concrete Floor during Horizontally Travelling Fires, Research paper, ENGSTRUCT-D , Manchester,

17 PRŮŘEZY 4. TŘÍDY ZA ZVÝŠENÉ TEPLOTY CLASS 4 SECTIONS AT ELEVATED TEMPERATURE Jan Hricák Abstract A significant progress in fire engineering research can be seen in the last decade. This resulted in more precise structural fire design and higher reliability of steel structures. However, for design of slender sections (Class 4 section according to the Eurocode 3), where elevated temperature affects also behaviour of elements subjected to local or distortional buckling, no final conclusions or design methods were published. The aim of the research is therefore developing design procedures for compressed plates at elevated temperatures. Key words: fire engineering, elevated temperature, slender sections, class 4 section ÚVOD Požár vždy způsobuje značné ztráty na majetku, vážné poškození nosné konstrukce budov a představuje riziko pro život a zdraví člověka. Vzhledem k tomu, že vznik požáru nelze nikdy zcela vyloučit, usiluje se alespoň o snížení jeho vlivu na stavební konstrukci. Běžnou praxí posledních let se díky zavedení evropských návrhových norem pro stavební konstrukce stalo posouzení nosné konstrukce nejen při běžné návrhové situaci, ale i při požáru. Právě touto částí se zabývá předkládaná práce, která je zaměřena na štíhlé průřezy, jejichž posouzení i konstrukční zásady jsou velmi specifické a zpravidla náročnější než pro běžné průřezy. Spolu s případnými globálními problémy zahrnuje jejich chování i řadu lokálních jevů jako je boulení tlačených částí. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Ačkoliv je ocel nehořlavý stavební materiál, jsou její vlastnosti při požáru negativně ovlivněny působící teplotou, což vede ke snížení mechanické odolnosti nosných konstrukcí [1], [2]. Přestože znalosti o chování ocelových konstrukcí při požáru jsou v mnoha směrech hluboké, některé dílčí problémy dosud nebyly uspokojivě vyřešeny. Mezi ně patří chování ocelových průřezů 4. třídy, pro jejichž návrh se používá zjednodušený a konzervativní model, který dostatečně nepostihuje chování těchto prvků při požáru. Návrh takových prvků je potom nehospodárný a vede ke zvýšené spotřebě oceli, případně k nutnosti chránit tyto prvky proti účinkům požáru. Problematikou lokální stability tlačených a ohýbaných stěn za běžné teploty se zabývá celá řada teoretických a experimentálních prací [3], [4] a v dostatečné míře je problematika návrhu řešena i v návrhových normách. Stabilita stěn je charakteristická pro návrh štíhlých průřezů neboli průřezů 4. třídy, kde se předpokládá, že v důsledku boulení stojin nebo pásnic se musí počítat s tzv. efektivními plochami a ohybová a tlaková únosnost je menší než plná pružná únosnost. Stěna, na rozdíl od prutu, je schopná i po ztrátě lokální stability (po vzniku boulení) přenášet zvyšující se zatížení. Zatímco ideální tlačený prut se po dosažení kritického zatížení okamžitě zhroutí, ideální tlačená stěna je schopna přenášet zatížení vyšší než kritické vlivem membránových napětí. Napětí se v důsledku boulení přerozdělí. V jednoduchém návrhovém modelu to znamená, že se nadále počítá s rovnoměrným napětím, působícím ale jen v rozsahu efektivní plochy průřezu. Současné návrhové modely pro ocelové prvky vystavené účinkům požáru popisují chování poměrně masivních průřezů (tj. průřezů 1., 2. a 3. třídy), jejichž únosnost závisí na mezi kluzu oceli při zvýšené teplotě. Naproti tomu únosnost štíhlých průřezů (tj. průřezů 4. třídy) je navíc ovlivněna lokálním boulením tlačených částí průřezu. V současnosti používaná návrhová metoda pro průřezy 4. třídy je

18 značně zjednodušená, neboť nejsou k dispozici dostatečné údaje o vlivu vysokých teplota na boulení tenkostěnných průřezů. Zjednodušené modely jsou odvozeny od chování tenkostěnných průřezů při běžné teplotě a nezahrnují stabilitní jevy (membránové působení tenkých stěn). PŘIPRAVOVANÝ VÝZKUM Hlavním cílem výzkumu je získat poznatky o chování ocelových nosníků ze svařovaných průřezů 4. třídy (I a H tvaru) vystavených vysokým teplotám. V experimentální části bude ověřen vliv vysokých teplot na boulení tlačených částí průřezu. Předpokládá se provedení zkoušek s rovnoměrně a nerovnoměrně tlačenými prvky dle obr. 1. Prvky budou zatíženy konstantním zatížením (F = 200 kn) a zahřívány pomocí elektrické odporové rohože až do vyčerpání únosnosti. Zkoušky budou probíhat s předpokládaným nárůstem teploty 10 C/min v rozmezí C. Tyto experimenty budou doplněny řadou materiálových zkoušek při vysokých teplotách. Obr. 1: Způsob zatížení vzorků - a) rovnoměrně zatížený, b) nerovnoměrně zatížený Fig. 1: Method of loading samples - a) centric load, b) excentric load Souběžně s experimenty bude provedena jejich numerická simulace. Numerický model a výsledky experimentů budou využity v numerické studii, která bude sloužit k vyhodnocení vlivu nejdůležitějších parametrů na chování štíhlých průřezů. Na základě této studie a znalostí vlivu jednotlivých parametrů bude vytvořen návrhový model pro průřezy 4. třídy při požáru, který nahradí dosavadní konzervativní řešení. Přesnější návrhový model přispěje k větší konkurenceschopnosti štíhlých ocelových konstrukcí, snížení hmotnosti a nákladů na nosnou konstrukci a v důsledku ke zvýšení spolehlivosti konstrukce při požáru. Výsledky řešení budou prezentovány v odborném tuzemském nebo zahraničním časopise. OZNÁMENÍ Tento výzkum je podpořen výzkumným grantem SGS OHK1-044/11. LITERATURA [1] Wald F.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí. Vydavatelství ČVUT, 2005, ISBN [2] Buchanan A. H.: Structural Design for Fire Safety, New Zealand, 2001, ISBN [3] Škaloud M.: Navrhování pásů a stěn ocelových konstrukcí z hlediska stability, Vydavatelství Academia, Praha, 1988 [4] Březina V.: Stabilita tenkých stěn, Státní nakladatelství technické literatury, Praha,

19 TEPLOTA PŘÍPOJE NOSNÍKU NA SLOUP POMOCÍ U PROFILU PŘI POŽÁRU TEMPERATURE OF REVERSE CHANNEL CONNECTION EXPOSED TO FIRE Tomáš Jána Abstract The paper presents the topic of the doctoral Thesis, which is focused to the temperature distribution in the reverse channel connection to concrete filled tubular column during the fire. The heat transfer into the elements of the joint will be predicted by FE simulation and validated by experiments from literature and by full scale fire tests on experimental building. Analytical model based on the step by step procedure for the simple prediction of the temperature distribution will be developed. Key words: reverse channel connection, concrete-filled tubes, connection design, fire design, fire test ÚVOD Práce je zaměřena na experimentální, numerické a analytické stanovení rozdělení teploty v přípoji ocelového nosníku pomocí čelní desky a U profilu na sloup kruhového průřezu vyplněného betonem při požáru, viz obr. 1. Studie tvoří část výzkumného projektu, který vyšetřuje chování přípojů ocelobetonových stavebních nosných konstrukcí při zatížení požárem, přičemž přesný výpočet teplot v přípoji je základním krokem. Následuje mechanická analýza chování přípoje. TR 245/8 COFRAPLUS 60 C30/ C 30/37 TR 245/8 4x M x M IPE 270 P8 85 IPE 270 P8 TR 200/200/8 Obr. 1: Zkoumaný přípoj (experimentální konstrukce ve Veselí nad Lužnicí) Fig. 1: Investigated connection (experimental structure in Veselí nad Lužnicí) Ačkoliv je tepelná vodivost oceli vysoká, je rozvoj teploty v přípoji při požáru ovlivněn koncentrací hmoty, a uvnitř styčníku se proto tvoří nerovnoměrné teplotní pole. Teplota částí přípoje nosníku na sloup se předpovídá pomocí součinitelů průřezu (A m /V), viz [1], nebo z maximální teploty v připojovaném nosníku. Numerické [2] a experimentální práce [3] ukazují, že pro dosažení přijatelně přesného popisu chování přípojů za požáru je třeba předpověď teploty přípojů zpřesnit. Výsledky experimentů potvrzují vhodnost využití součinitelů průřezů částí přípoje, přičemž různým částem, které jsou ve stejné oblasti přípoje, může být přisuzována stejná teplota, viz [4]. Hlavním cílem této práce je odvození vhodných vztahů pro výpočet ekvivalentního součinitele průřezu, jenž je přiřazen jednotlivým skupinám komponent tvořících přípoj. Počítá se s využitím součinitelů zastínění, které byly již odvozeny pro nosníky a pro analýzu pokročilými metodami. Ocelové a zvláště ocelobetonové konstrukce se dnes navrhují požárně částečně chráněny. Jednou z možností dosažení ekonomického návrhu přípojů a celé konstrukce jsou požárně chráněné přípoje požárně nechráněných nosníků. Rozdělení teploty v přípoji ocelobetonové konstrukce komplikuje přítomnost betonových komponent s různou tepelnou vodivostí. Výzvou zůstává předpověď poklesu teplot při chladnutí konstrukce. Přípoje jsou ve fázi chladnutí teplejší než okolní plyny a než chladnoucí konstrukce. Pro tento jev zatím nebyl publikován vhodný model

20 EXPERIMENTY V září 2011 budou uskutečněny dvě požární zkoušky na experimentálním objektu. Dvoupodlažní konstrukce o půdorysných rozměrech 10,4 x 13,4 m a výšce 9 m představuje část typické administrativní budovy, viz obr. 2. Ocelobetonové stropy z trapézového plechu výšky 58 mm, betonové desky C30/37 tloušťky 62 mm a prostě uložených nosníků průřezů IPE220, IPE240, IPE270 a IPE330 z oceli S355 jsou uloženy na ocelové sloupy průřezu HEB200 z oceli S355 a ocelobetonové sloupy průřezu TR245/8 z oceli S355 vyplněné betonem C30/37. Požárním nástřikem budou chráněny pouze obvodové nosníky, ocelové sloupy a příhradová ztužidla. Skládaný plášť je navržen z ocelových kazet, minerální vlny a trapézového plechu. Mechanické zatížení simulované pytli s kamenivem při druhé zkoušce bude odpovídat běžné administrativní budově. Požární zatížení bude tvořeno hranicemi z dřevěných hranolů o vlhkosti 12 %. Ventilaci zajistí okenní otvor velikosti 5 x 2 m IPE CHRÁN./ PROT. IPE POŽÁRNE CHRÁNEN / FIRE PROTECTED IPE POŽÁRNE CHRÁNEN / HEB 200 FIRE PROTECTED TR 245/8 IPE 270 HEB 200 IPE POŽÁRNE CHRÁNEN / FIRE PROTECTED OKNO / WINDOW IPE 220 / IPE 330 IPE 270 IPE 270 IPE 220 / IPE 330 IPE 270 IPE PROT. HEB 200 TR 245/8 TR 245/8 TR 245/8 COFRAPLUS 60 (60 mm) C 30/37 (60 mm) SÍT / MESH 5/100/100, fy = 420 MPa HEB 200 TR 245/8 IPE PROT. IPE CHRÁN./ PROT. IPE POŽÁRNE CHRÁNEN / FIRE PROTECTED IPE 270 PODLAŽÍ 2 / FLOOR 2 POŽÁRNÍ ZKOUŠKA Č. 1 / FIRE TEST NO. 1 IPE 270 PODLAŽÍ 1 / FLOOR 1 POŽÁRNÍ ZKOUŠKA Č. 2 / FIRE TEST NO. 2 IPE 220 IPE (1200) A B C A B C Obr. 2: Půdorys a řez konstrukcí experimentálního objektu Fig. 2: Ground plan and vertical section of experimental building ZÁVĚR Data získaná z uvedených experimentů budou porovnána s výsledky numerického modelu přestupu tepla do konstrukce vytvořeného softwarem SAFIR. Cílem je připravit analytický model předpovědi rozdělení teploty po přípoji. Hodnotnými výstupy práce bude článek v impaktovaném časopise a užitný vzor. OZNÁMENÍ Výzkum je součástí evropského projektu RFCS COMPFIRE č. RFSR-CT LITERATURA [1] CESTRUCO, Design of Structural Connections to Eurocode 3 Frequently Asked Questions. Ed. Moore D.B., Wald F.: Building Research Establishment Ltd, Watford, 2003, ISBN URL: [2] Franssen J-M.: Numerical determination of 3D temperature fields in steel joints. 2 nd International Workshop Structures in Fire, Christchurch, 2002, s [3] Wald, F., Simões da Silva, L., Moore, D.B., Lennon, T., Chladná, M., Santiago, A., Beneš, M., Borges, L.: Experimental Behaviour of Steel Structure under Natural Fire. Fire Safety Journal 41(7), 2006, s [4] Ding, J. and Wang, Y.C.: Temperatures in unprotected joints between steel beams and concrete filled tubular columns in fire. Fire Safety Journal 44(1), 2009, s

21 MODELOVÁNÍ POŽÁRNÍ OCHRANY MODELING OF FIRE PROTECTION Jiří Jirků Abstract This paper describes the state of the art of modeling of heat transfer to the steel structure. The second part is focused to pilot experiment to specify the emissivity of zinc coated steel members. Key words: heat transfer, convection, radiation, temperature of steel section, zinc coating ÚVOD Součástí požárního návrhu stavebních konstrukcí je předpověď teploty nosných prvků, která výrazně ovlivňuje jejich únosnost za požární situace. Cílem disertační práce je popsat problematiku teploty požárně částečně chráněných prvků. V příspěvku je shrnuta problematika přestupu tepla do požárně nechráněné konstrukce a předběžné poznatky ze studie emisivity žárově zinkovaného povrchu, která se v rámci práce připravuje a částečně se již realizovala. PŘESTUP TEPLA DO KONSTRUKCE Ve stavebním inženýrství je předpovídání teploty prvků nosné konstrukce založeno na energetické rovnováze prvků stavební konstrukce a tepelných toků z požáru. Uvažovány jsou ovšem pouze tepelné toky prouděním a sáláním. Podle Gjoela [1] může být energetická rovnováha zapsána jako: dθ a hnet = hnet r + hnet c =, (1),, dt kde h r je tepelný tok sáláním, h c je tepelný tok prouděním, dθ a je změna teploty a dt změna času. PŘESTUP TEPLA PROUDĚNÍM Hodnota tepelného toku prouděním se určí ze vztahu: hnet, c = α c ( θ g θ a ), (2) kde α c je součinitel přestupu tepla, θ g teplota plynu a θ a povrchová teplota prvku. V řadě případů tepelné analýzy stavební konstrukce ale proudění není dominantní složkou tepelného toku. Výsledná teplota proto není citlivá na hodnotu součinitele přestupu tepla a např. v [2] se uvažuje konstantní hodnotou po celou dobu požáru. Pro přesnější výsledky se doporučuje, viz [1], lineárně interpolovat hodnoty od 0 W/m 2 K v okamžiku vzplanutí do 25 W/m 2 K v době, kdy se teploty prvku a plynu vyrovnají. PŘESTUP TEPLA SÁLÁNÍM Energie z požáru se při kontaktu s ocelovým prvkem částečně pohltí, odrazí a přenese. Obecně lze vztah zapsat jako: α + ρ + τ = 1, (3) kde α je pohltivost, ρ je odrazivost a τ propustnost. Obecná teorie sálání vychází z modelu černého tělesa, které pohlcuje veškeré záření dopadající na jeho povrch a současně je také dokonalým zářičem. Tepelný tok vyzářený černým tělesem je popsán: 4 4 hnet, r = σ [( θ g ) ( θ a + 273) ], (4)

22 kde σ je Stefan-Boltzmannova konstanta a θ g a θ a již byly definovány výše. V praxi takové těleso neexistuje, proto je využíván model šedého tělesa. To vyzáří pouze zlomek energie černého tělesa. Tuto část lze vyjádřit pojmem emisivita, která je podle Wanga [3] definována jako podíl energie vyzářené povrchem šedého a černého tělesa při stejné teplotě. V souladu s Kirchhoffovými zákony je emisivita shodná s pohltivostí povrchu. Tepelný tok sáláním je pak popsán vztahem: 4 4 hnet, r = φ ε σ [( θ g + 273) ( θ a + 273) ], (5) kde φ je polohový faktor ocelového prvku vzhledem k požáru a ε emisivita povrchu ocelového prvku. TEPLOTA OCELOVÉHO PRVKU Teplota ocelového nechráněného prvku vychází ze zákona zachování energie, který může být zapsán: dθ a V ρ a ca = ( hnet r + hnet c ) ( θ g θ a ) A, (6),, a dt kde V je obsah průřezu, ρ a je hustota oceli, c a měrné teplo oceli a A a je povrch vystavený požáru. V případě že je ocelový prvek opatřen požární ochranou, lze její vliv do výpočtu dle [2] zavést: λ p ( Am / V ) θ g () t θ a ( t) φ ( t) 10 Δθ a () t = Δt ( e 1) Δθ g () t, (7) d c ( t) ρ 1 + φ( t) 3 c p p kde φ () t = d ( A / V ), ( V ) c ( t) ρ a ρ a p p m a a A m / součinitel průřezu, ρ p je hustota ochranného materiálu, c p měrné teplo ochranného materiálu a λ p je tepelná vodivost ochranného materiálu, ρ a a c a již byly definovány výše. EXPERIMENTY K pilotnímu ověření vlivu emisivity zinkovaného povrchu při požáru byl uskutečněn experiment ve zkušebně PAVUS a. s. ve Veselí nad Lužnicí. Zkoušelo se celkem osm vzorků o dvou odlišných průřezech, které reprezentovaly uzavřené a otevřené průřezy. Délka prvků byla 1 m. Jako otevřený průřez byl zvolen IPE 200 a jako uzavřený TR114,3x4 mm. Při vyhodnocení pilotního projektu byla hodnota emisivity povrhu žárově zinkovaných prvků zjištěna jako ε m,zn = 0,32, což je výrazně nižší než emisivita oceli bez povrchové úpravy, která je podle [2] ε m = 0,7. ZÁVĚR Příspěvek stručně shrnuje stávající stav poznání ve výpočtu teploty ocelového průřezu za požární situace. Při pilotních testech žárově zinkovaných prvků se ověřil předpoklad nižší emisivity lesklého povrchu zejména v počátečních fázích požáru. Předběžné zkoušky bude pro využití v praxi třeba ověřit zkouškou s dalšími součiniteli průřezu při normovém měření teploty plynu v peci. Bude nutné ověřit také vliv stárnutí povrchů, který se může projevit tmavnutím povrchu. OZNÁMENÍ Pilotní experiment žárově zinkovaných prvků byl připraven v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS, za finančního přispění MŠMT, projekt 1M0579. LITERATURA [1] Ghojel, J. I.: A New Approach to Modeling Heat Transfer in Compartment Fires. Fire Safety Journal, vol.31, 1998, s [2] ČSN EN : Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, část 1-2: Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006, 77 s. [3] Wang Y., Burgess I., Gillie M., Wald F.: Performance Based Fire Engineering of Structures, Spon Press, 2011, v tisku