POŽÁRNÍ ZKOUŠKA NA EXPERIMENTÁLNÍM OBJEKTU V MOKRSKU

Transkript

1 POŽÁRNÍ ZKOUŠKA NA EXPERIMENTÁLNÍM OBJEKTU V MOKRSKU Zpráva ze zkoušky Praha, listopad 2008 České vysoké učení technické v Praze

2 POŽÁRNÍ ZKOUŠKA NA EXPERIMENTÁLNÍM OBJEKTU V MOKRSKU - ZPRÁVA ZE ZKOUŠKY František Wald, Petra Kallerová ÚVOD Hlavním cílem zkoušky bylo ověření předpovědi chování konstrukce administrativní budovy jako celku vystavené skutečnému požáru. Kromě požární odolnosti tří stopních konstrukčních systémů se zkoušelo šest řešení obvodových plášťů s izolací z minerální vlny. Výsledky zkoušky umožní využití pokročilých stavebních technologií a metod návrhu pro zvýšení spolehlivosti a ekonomie řešení požární odolnosti budov. Požární zkouška byla zaměřena na zpřesnění popisu chování prvků a spojů v konstrukci při požáru. Výsledky umožňují zvýšit spolehlivost návrhu konstrukce vystavené zvýšené teplotě pomocí pokročilých modelů předpovědi teploty v požárním úseku, přestupu a rozvoje tepla v konstrukci a chování konstrukce vystavené zvýšeným teplotám. Při požáru byla měřena teplota, celkové i poměrné deformace, tlaky par, vlhkost, sálání z konstrukce na konstrukci uvnitř požárního úseku i na ocelovou konstrukci vně před okenním otvorem, prostup plynů pláštěm a klimatické podmínky při zkoušce. Chování je zdokumentováno fotografiemi, videozáznamy a záznamy z termokamer. POPIS POŽÁRNÍ ZKOUŠKY Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze uskutečnila požární zkoušku 18. září 2008 v Mokrsku, okres Příbram. Pro tuto zkoušku byl speciálně postaven objekt v areálu výukového střediska ČVUT Štola Josef, na kterém se ověřovalo chování konstrukcí administrativní budovy, které jsou vystavené prostorovému požáru, Obr. 1a),b). Zkouška tématicky navazuje na sedm velkých požárních zkoušek, které se uskutečnily na skutečných budovách z oceli, betonu a dřeva v Cardingtonu ve Velké Británii, které se uskutečnily v letech 1998 až Požár jednoho podlaží budovy poskytl podklady o rozvoji teplot a chování nosné konstrukce i obvodových plášťů. Obr. 1 Pohled na požární úsek a) před požární zkouškou, b) během požární zkoušky Fig. 1 View on fire compartment a) before fire experiment, b) during fire experiment

3 Popis konstrukce Objekt představoval část jednoho podlaží administrativní budovy o rozměrech 18 x 12 m, Obr. 2a). Ocelobetonová deska byla navržena na rozpětí 9 x 6 m. Sloupy z profilu HEB 180 byly požárně chráněny, Obr. 2b). Prolamované nosníky výšky 395 mm byly vyrobeny z IPE 270. Nosníky s vlnitou stojinou měly pásnice šířky 220 mm, tloušťky 15 mm. Stojina byla z plechu tloušťky 2,5 mm o výšce 500 mm. Okrajové nosníky byly z profilu IPE 400. Vodorovná tuhost rámu byla zajištěna betonovou stěnou tloušťky 250 mm a dvěma ztužidly z úhelníků L 80 x 80. Přípoj čelní deskou se zvýšenou požární odolností byl navržen z plechu 10 mm a se čtyřmi šrouby M16. Horní dva byly zabetonovány v desce. Prostě podepřená železobetonová deska byla betonována do trapézových plechů CF60 (Cofraplus 0,75 mm) a celková tloušťka desky byla 120 mm ( mm). Předepnuté duté panely Spiroll výšky 320 mm byly navrženy na rozpětí 9 m. Dvě obvodové stěny byly tvořeny nosnými kazetami, minerální vlnou a vnějšími trapézovými plechy a další dvě stěny tvořily sendvičové panely tloušťky 150 mm vyplněné minerální vlnou. Požární ochrana sloupů, průvlaků, okrajových nosníků a ztužidel byla řešena pro požární odolnost R60. Obr. 2 a) Nosná konstrukce experimentální objektu, b) požární ochrana ocelových sloupů Fig. 2 a) Load bearing structure of experimental building, b) fire protection of steel columns Vhodně navržená ocelobetonová deska i s požárně nechráněnými nosníky výrazně zvyšuje požární odolnost nosné konstrukce. Kromě řešení požární odolnosti styčníku může požární experiment přinést zásadní poznatky o jejím chování v jejím spojení s prolamovanými nosníky a nosníky s vlnitou stojinou. Kromě návrhu stropu na ČVUT v Praze byla požární odolnost řešena s prof. Ianem Burgessem z The University of Sheffield a ing. Magdalénou Štujberovou, PhD. z STU Bratislava. Výstupy z programu VULCAN jsou na Obr. 3. Očekávaný maximální průhyb ocelobetonové desky 9 x 12 m byl přibližně 700mm. Obr. 3 Deformace a) ocelobetonové desky, b) nechráněných prolamovaných nosníků Fig. 3 Deformation a) of the slab, b) of unprotected cellular beams

4 Mechanické a požární zatížení Mechanické zatížení je navrženo tak, aby odpovídalo běžné administrativní budově, kde se proměnné zatížení pohybuje v rozmezí 2,5 až 3,5 kn/m 2. Statisticky je ověřeno, že za požární situace mechanické zatížení nedosahuje největších hodnot. Skutečná vlastní tíha zkoušené konstrukce představuje 2,6 kn/m 2. Při zkoušce je proměnné zatížení 3,0 kn/m 2 vyvozeno pomocí 78 pytlů se štěrkem, každý o hmotnosti cca 900kg. Pytle byly umístěny na železobetonové stropní desce na paletách, na předpjatých panelech Spirol byly volně loženy, Obr. 4a). U každého pytle byla zjištěna jeho hmotnost. Ta se pohybovala v rozmezí 793 až 1087 kg. Toto zatížení odpovídá při návrhu na mezním stavu únosnosti za běžné teploty proměnnému zatížení 3,0 kn/m 2 a zatížení podlahami a příčkami 1,0 kn/m 2, vše v charakteristických hodnotách. Použité zatížení překročilo předpokládanou únosnost, která je pro zjednodušený model stropní konstrukce vypočítánana3,49kn/m 2,vícenežo60%. Obr.4 a) Mechanické zatížení, b) Požární zatížení Fig. 4 a) Mechanical load, b) Fire load Předpokladem bylo celulózové hoření, kdy palivem byly nehoblované latě rozměrů 50 x 50 x 1000 mm z měkkého dřeva. Celkový objem dřevní hmoty byl 15m 3.Na půdorysné ploše požárního úseku bylo rovnoměrně rozmístěno 50 hranic, Obr. 4b). Každá dřevěná hranice obsahovala 12 řad po 10 latích, celkem 120 latí, tj. asi 35,5 kg/m 2 dřeva, které odpovídá asi 620 MJ/m 2. Požární zatížení běžné administrativní budovy při jejím návrhu je stanoveno na 420 MJ/m 2. Navržené množství paliva tak přesahuje o asi 50 % množství, které se nachází v budově tohoto určení. Zapálení hranic bylo iniciováno petrolejem, který byl v korýtkách ztenkostěnných C profilů, které byly vyplněny minerální tepelnou izolací. Vždy třinebočtyři dřevěné hranice byly navzájem provázány jedním tenkostěnným profilem, a to v druhé nebo třetí vrstvě skládaných dřevěných latí. Ventilace byla zajištěna okenními otvory, které odpovídají moderní podlažní budově. Parapet dosahoval do výšky 1 m a okna měly výšku 2,54 m a celkovou délku 8,00 m. V oknech nebyla skleněná výplň. Měření Pomocí termočlánků byla měřena teplota plynu, teplota šroubových přípojů, teplota nosných konstrukcí, teplota obvodových plášťů a také teplota venkovního sloupu. Termočlánky pro měření teploty plynu měly průměr 3 mm, pro měření teploty konstrukce byly použity termočlánky průměru 2 mm, Obr. 5. Deformace byly měřeny na 13 místech konstrukce z lešení, které je umístěno 1,5 m nad stropem zkušební budovy. Jednalo se o 8 vodorovných deformací a 8 svislých průhybů. Geodeticky byly deformace měřeny trigonometricky pomocí osmi tyčí nastropě. Sedm tenzometrů, které měřily poměrné deformace při teplotách do 1200 C byly osazeny na stojiny nosníků pro stanovení rozvoje vnitřních sil v konstrukci při

5 požáru. Pět videokamer a tři termokamery umožnily záznam chování konstrukce a rozvoje teplot v konstrukci a ve stěnách. Obr. 5 Termočlánky na měření teploty konstrukce a) styčník, b) šroub zabetonovaný v desce Fig. 5 Thermocouples for measurement of structure temperature a) joint, b) bolt in slab Kromě zjištění průběhu teplot ve třech typech stropní konstrukce se ověřoval průběhteplotve styčnících se zvýšenou požární odolností. Přípoje s čelní deskou, které byly optimalizovány metodou komponent, byly částečně požárně chráněny betonovou deskou. Ocelobetonová deska, která během požáru přenášela zatížení membránovým působením, byla spřažena se dvěma typy nosníků; s prolamovanými stropními nosníky a se stropními nosníky s vlnitou stojinou. Požárně nechráněné prolamované nosníky se sinusovým tvarem otvorů ve stojině Angelina se navrhly pomocí pokročilých výpočetních modelů a vynikají moderním estetickým působením. Požárně nechráněné nosníky s vlnitou stojinou umožňují použití tloušťky plechu pro stojinu pouze 4 mm. Průvlaky a okrajové nosníky byly řešeny s deskovou požární ochranou. Na jedné čtvrtině stropní konstrukce o rozměrech 6 x 9 metrů byla zkoumána únosnost stropu s předepnutými dutými betonovými panely. Podrobně byl vyšetřován rozvoj teploty v požárně chráněných sloupech, které byly v konstrukci kombinovány s požárně nechráněnými stropy. Na stěnách budovy, které byly tvořeny z nosných kazet a trapézových plechů a sendvičových panelů, byl zkoumán přestup tepla a chování za vysokých teplot. Dále byla měřena teplota, vlhkost a napětí betonových a sádrových stěn vystavených přirozenému požáru. HODNOTY NAMĚŘENÉ BĚHEM EXPERIMENTU Teploty plynu Výpočty pomocí zónového modelu a parametrické teplotní křivky konzervativně předpokládaly, že by teplota mohla dosáhnout 1057 C v čase 60 minut od zapálení požárního zatížení. Fáze chladnutí byla spočítána na přibližně 90 min. Vlivem odnímání tepla masivní betonovou stěnou byla levá část požárního úseku podle předpokladu chladnější. V 21. a 30.

6 minutě došlo k výraznému nárůstu teploty (810 C a 935 C), teplota v 58. minutě byla 855 C. V prostoru pod betonovou deskou s prolamovanými nosníky byla naměřena maximální teplota 935 C v 60. minutě. Křivka průběhu závislosti teploty plynu na časejevelicepodobná nominální teplotní křivce, Obr Teplota plynu [ C] Gas temperature [ C] Nominální krivka Nominal curve Parametrická krivka Parametrical curve TG06 vlnita stojina TG08 Angelina Predpoved Ozonem Predicted by Ozone v Cas [min] Time [min] Obr. 6 Předpověď teploty plynu a naměřené hodnoty plynu v požárním úseku Fig.6 Proposed gas temperature and measured values of gas temperature Stropní konstrukce Ocelobetonová deska přenášela od 23. minuty požáru většinu zatížení. Nechráněné prolamované ocelové nosníky měly v té době asi 480 C, průhyb 135 mm a jejich únosnost se začala redukovat. Ve 34. minutě požáru měly již teplotu 770 C a průhyb 378 mm, čemuž odpovídá únosnost asi 10 %. Jak se předpokládalo, k porušení desky došlo v 62 minutě požáru na počátku fáze chladnutí při změřené teplotě nosníků 895 C. V té době byla namáhána na asi 167 % únosnosti, která byla stanovena podle zjednodušeného návrhového modelu pro dané mechanické a požární zatížení. Ocelobetonovou desku nad ocelovými požárně nechráněnými nosníky s vlnitou stojinou se nepodařilo porušit. Nosníky dosáhly největšího průhybu 256 mm a nejvyšší teploty 780 C. Membránové působení ocelobetonové desky se projevilo od 20. minuty požáru, kdy teplota nosníku překročila 450 C a plně se rozvinula ve 32. minutě požáru, kdy dosáhla 715 C a únosnost nosníků byla redukována pouze na 15 %. Třetí část stropu byla tvořena dutými předepnutými betonovými panely. Tato část stropu se prohnula pouze o 100 mm. Bylo ověřeno jejich chování za vysokých teplot a jejich požární odolnost 60 min. Šroubový spoj se zvýšenou požární odolností Součástízkouškybylivývojspojů se zvýšenou požární odolností. Teplota dolní části přípoje dosáhla 520 C při teplotě nosníku 935 C. Teplota horní části přípoje, která byla zakryta ocelobetonovou deskou, nepřekročila 195 C. Spoje se před porušením desky plasticky deformovaly. Na Obr. 7 je vykreslen průběh teplotyvestyčníku prolamovaný nosník AS5 - chráněný průvlak v závislosti na čase.

7 Teplota [ C] Temperature [ C] TC64 TC71 TC70 TC TC TC66 TC TC TC TC69 Cas [min] Time [min] TC66 TC67 TC64 TC63 Obr. 7 Průběh teploty ve styčníku prolamovaného nosníku AS5 Obr. 7 Temperature development in the connection of Angelina beam AS5 Prolamované nosníky Angelina Maximální teploty jednotlivých prolamovaných nosíků byly 965 C v 58. minutě pro AS2, 935 V v 59. minutě pro AS4, 885 C v 52. minutě pro AS5 a 785 C v 36. minutě pro AS6. Jak je patrné z grafu na Obr. 8, výraznější nárůst průhybu nastal od 23. minuty. Pro nosník AS4, který měl v té době teplotu 480 C, nabývá svislá deformace hodnoty 135 mm. Od 34. minuty je na grafu patrný pozvolnější nárůst, průhyb dosahoval 378 mm a teplota 770 C. V 58. minutě došlo k radikálnímu nárůstu průhybu, který způsobil kolaps konstrukce. V té době nosník dosahoval teploty 895 C Deformace [mm] Deformation [mm] Cas 65[min] 70 Time [min] AS3 AS5 AS4 AS2 Obr. 8 Průhyb prolamovaných nosníků Angelina Fig.8 Deflection of Angelina beams

8 Nosník s vlnitou stojinou Maximální průhyb nosníku s vlnitou stojinou CS2 byl 138 mm a nosníku CS3 256 mm. Dosažené maximální teploty se pohybovaly kolem 750 C, ve 20. minutě bylo dosaženo teploty 400 C. Venkovní sloup Před okenním otvorem požárního úseku byl instalován ocelový sloup, který představoval ocelovou konstrukci vně požárního úseku. Vzdálenost venkovního sloupu od okenního otvoru byla 1000 mm. Teplota konstrukce byla měřena pomocí 16 termočlánků v osmi výškových úrovních. Vždy se měřila teplota na obou pásnicích IPE profilu sloupu. Ve stejných výškových úrovních byla měřena teplota plynu pomocí 8 termočlánků, které byly ve vzdálenosti 100 mm od bližší pásnice směrem k okennímu otvoru. V závislosti na umístění termočlánků po výšce nosníku dosahovaly teploty konstrukce C a teploty plynu C. Důležitou součástí zkoušky bylo ověření požární odolnosti sendvičových panelů a skládaného pláště. Při nejvyšší teplotě vnitřního povrchu pláště 930 C byla povrchová teplota vnějšího pláště stejná jako okolního vzduchu. U skládaného pláště dosáhla teplota vnitřního líce 935 C. Teplota vnější kazety odpovídala teplotě okolního vzduchu. K porušení pláště do 60 minuty zkoušky nedošlo. ZÁVĚR Příčinou kolapsu experimentálního objektu bylo prolomení ocelobetonové desky v pravém zadnímrohupoztrátě její únosnosti v tlaku, Obr. 9, Obr. 10. Krajní nosník se na vzniklé volné části porušil klopením. Průvlak podpírající duté předepnuté panely se zřítil po ztrátě únosnosti jeho přípoje na sloup při kroucení. Obr. 9 Celkový pohled na porušenou ocelobetonovou desku Fig.9 Overall view on slab after collapse

9 Obr.10 Detailní pohledy na porušenou ocelobetonovou desku Fig.10 Detail views on slab after collapse LITERATURA [1] Požární zkouška na experimentálním objektu v Mokrsku, ČVUT v Praze, srpen 2008, ISBN [2] Tisková zpráva - Křest ohněm v Mokrsku, F. Wald, říjen PARTNEŘI PROJEKTU Na zkoušce se kromě ČVUT, které je nositelem projektu, podíleli i Ústav teoretické a aplikované mechaniky (ÚTAM AV ČR), Pavus a.s., The University of Sheffield, Slovenská technická univerzita v Bratislavě, Generální ředitelství hasičského záchranného sboru MV ČR, Profesní komora požární ochrany a řada společností odpovídajících za realizaci konstrukce. Experimentální budovu v objemu tří milionů korun financovali sponzoři projektu ArcelorMittal Long Carbon R&D Centre, EXCON a.s., Rockwool a.s., Promat s.r.o., HAIRONVILLE VIKAM s.r.o., Metrostav a.s., TBG Metrostav s.r.o., DYWIDAG PREFA a.s., Kovové profily s.r.o., Kingspan a.s., SGB a Hünnebeck CZ s.r.o., Skála a Vít s.r.o. a další. Mediálním partnerem je časopis Konstrukce.