NECHRÁNĚNÉ ŠROUBY V POŽÁRNĚ CHRÁNĚNÝCH SPOJÍCH 2 voľné riadky 12 Pt F. Wald 1, M. Strejček 2 a A. Tichá 3 2 voľné

Transkript

1 ABSTRACT NECHRÁNĚNÉ ŠROUBY V POŽÁRNĚ CHRÁNĚNÝCH SPOJÍCH 2 voľné riadky 12 Pt F. Wald 1, M. Strejček 2 a A. Tichá 3 2 voľné riadky 12 Pt 8 voľných riadkov 12 Pt The paper is focussed to the temperature development in the bolted connections, which are fire protected by intumescent coating. Three set of tests were arranged to study the influence of coatings on bolts. On unprotected bolts in the fire protected connections was measured temperature higher till 15 % compare to protected bolts. The analytical model of prediction of the temperature of connection in EN is applied to prediction of bolted connection with unprotected bolts in case of the off-site applied intumescent coatings installed. 1 ÚVOD Za požáru jsou styčníky ocelové konstrukce ovlivněny degradací materiálových charakteristik díky zvýšené teplotě, tahovými a tlakovými silami od prodloužení a zkrácení prvků a nerovnoměrným zahřátím konstrukce. Díky koncentrace materiálu ve styčnících a zastínění ostatními konstrukčními prvky před plamenem je teplota ve styčníku je nižší než teplota připojovaných prvků. Styčník se zahřívá později a po skončení požáru pomaleji chladne, viz [1]. Zjednodušeně se předpokládá, že požární odolnost šroubovaných nebo svařovaných styčníků je dostatečná, jestliže je tepelný odpor (d f /λ f ) c požární ochrany styčníku roven nebo větší než nejmenší hodnota tepelného odporu (d f /λ f ) m požárně ochranného materiálu každého z připojovaných prvků; kde d f je tloušťka požárně ochranného matriálu (d f = pro nechráněné prvky) a λ f účinná tepelná vodivost požárně ochranného materiálu. Předpokládá se, že využití styčníku je rovno nebo menší než největší využití každého z připojovaných prvků a že únosnost styčníku za běžné teploty splňuje doporučení dokumentu [2]. Teplotu styčníků ocelových konstrukcí lze předpovědět dvěmi metodami, které jsou založeny na experimentálních pracích, viz [3]. Vychází se přírůstkové metody, která se osvědčila pro předpověď teploty prvků. Teplem přiváděným povrchem se po krocích zahřívá daný objem, viz [4]. U styčníků lze uvažovat součinitel průřezu částí styčníku, které jej tvoří, tj. z A m /V 1 Prof. ing. CSc. - České vysoké učení technické v Praze, Thákurova 7, CZ Praha 2 České vysoké učení technické v Praze, Thákurova 7, CZ Praha, Česká republika 3 Ing. - České vysoké učení technické v Praze, Thákurova 7, CZ Praha

2 (nebo A p /V), kde A m je povrch vystavený požáru, A p je vnitřní povrch požární ochrany a V objem styčníku na jednotku délky. Konzervativně lze uvažovat s rovnoměrným rozložením teploty ve styčníku, kterou je možno vypočítat pomocí nevyšší hodnoty A/V prvků připojovaných do styčníku. Teplotu přípoje nosníku ke sloupu a nosníku k nosníku, kde nosník nese betonovou stropní konstrukci, lze stanovit z teploty dolní pásnice. Předpokládá se, že teplota styčníku je asi 88 % teploty dolní pásnice ve středu nosníku. Pro nosníky do výšky 4 mm se vliv zastínění uvažuje lineárním poklesem teploty po výšce na asi 2/3 hodnoty v dolní části styčníku. Pro nosníky vyšší než 4 mm se zastínění uvažuje redukcí teploty horní části o asi 2%. Termočlánek P6-2 x 2 4 Termočlánek 3 x M IPE Označení termočlánků TC44 (TC52) TC4 (TC48) TC42 (TC5) TC46 TC41 TC43 (TC53) (TC49) (TC51) TC45 (TC54) TC47 (TC55) P6-6 x HEB 2 Obr. 1 Zkušební vzorek ( ) v přípoji s požárně chráněnými šrouby Zpěňující nátěry se využívají na ochranu ocelové konstrukce od roku 1938, kdy byly poprvé ve Velké Británii certifikovány. V posledních deseti letech jejich cena poklesla na asi 3 %. Pro podlažní budovy se staly alternativou požárních obkladů, nástřiků i ochranou obetonováním a získaly až 4 % trhu, viz [5]. Nátěry se zhotovují na staveništi (asi 65 %) a ve výrobnách. Objem nátěrů prováděných ve výrobnách roste, viz [6]. Tyto nátěry méně zatěžují životní prostředí, umožňují ochranu konstrukce ihned po namontování, zjednodušují montážní proces, snazší kontrolou je dosahována vyšším kvalita, což se odráží v nižší ceně. Tloušťka zpěňujícího nátěru se při zvýšení teploty na 2 až 4 C násobně zvýší a zuhelnatěná pěna tepelně chrání konstrukci. Složení nátěrů dostupných na trhu se ustálilo. Nátěry kromě ředidla a pojiva obsahují aktivátor, karbonizující složku a zpěňovadlo. Za zvýšené teploty pojivo měkne, aktivátor, se rozkládá na organickou kyselinu, která karbonizuje například škrob a zpěňovadlo znásobí objem nátěru. Moderní nátěry se ředí vodou. Tenké zpěňovací nátěry s pojivem na bázi akrylátů jsou navrženy pro využití v interiérech a obvykle mají tloušťku do 5 mm. Požárně chrání konstrukci od 3 do 12 min. Nejčastěji je požadována ochrana 6 min. Nátěry se provádějí na protikorozní ochranu a opatřují se pohledovou vrstvou. Pro využití v exteriérech se nátěry chrání ochrannou vrstvou. Nátěry se nanášejí stříkáním, štětcem nebo válečkem. Tlusté nátěry, s tloušťkou do 2 mm, s pojivy z epoxidových pryskyřic se aplikují na ochranu exteriéru zvláště exponovaných staveb, např. těžních plošin. Šrouby ve spojích ocelových konstrukcí chráněných změnitelnými nátěry ve výrobně se mohou opatřit nátěrem po montáži na staveništi. Protože je teplota ve spojích nižší než v konstrukčních prvcích a protože pěna vznikající na prvcích částečně chrání i hlavu a matici šroubu, není šrouby ve spoji vždy nutno chránit. Tento příspěvek shrnuje výsledky experimentů, viz [7] a studie analytickými předpovědními modely, které potvrzují vhodnost použití požárně nechráněných šroubů v přípojích chráněných zpěňujícími nátěry.

3 a) b) Obr. 2 Poloha termočlánků na zkušebním vzorku před zkouškou č. 3; a) vzorek s požárně nechráněnými šrouby; b) vzorek s požárně chráněnými šrouby 2 EXPERIMENTY K ověření vlivu necháněných šroubů v požárně chráněných přípojích byly uskutečněny tři zkoušky styčníků nosníků se sloupem deskou na stojině nosníku. Pro zkoušku byl vyroben vzorek sestávající z časti sloupu a dvou nosníků, viz obr 1. Při každé zkoušce byly teplotě v peci vystaveny dva vzorky, jeden s požárně chráněnými šrouby a jeden se šrouby nechráněnými. Zpěňující nátěr byl nanesen specializovanou akreditovanou firmou, která se na nátěry tohoto typu specializuje, 21 dní před zkouškou. Tloušťka nátěrů byla měřena v mokrém stavu po natření a ověřena po vytvrzení před zkouškou ve zkušebně. Dřík šroubu se závitem přesahoval matici konzervativně o 2 mm. Zkoušky se uskutečnily v laboratoři PAVUS a.s. ve Veselí nad Lužnicí; první dne ; druhá , viz [7], a třetí , viz [8]. Při druhé zkoušce nebyl požárně chráněn celý styčníkový plech ve spoji deskou na stojině nosníku. Teplota plynu v peci u prvních dvou zkoušek byla řízena teploty plynu, která byla změřena u styčníku nosníku s průvlakem při sedmé požární zkoušce velkého rozsahu v Cardingtonu , viz [1]. Při třetí zkoušce se zahřívalo podle nominální normové teplotní křivky. Zkušební vzorky před zkouškou jsou na obr. 2. Teplota plynu a teplota ve šroubech a ve styčníkovém plechu při zkoušce č. 3 je shrnuta v tab. 1. Poloha a značení termočlánků je popsána na obr. 1. Tab. 1 Průměrné teploty změřené na přípoji čelní deskou na testu č. 3 Čas, min Průměrná teplota plynu, C Chráněné šrouby, C Plech u chráněných šroubů, C Nechráněné šrouby, C Plech u nechráněných šroubů, C Průměrná teplota styčníku s chráněnými šrouby, C Průměrná teplota styčníku nechráněnými šrouby, C Rozdíl teplot (šrouby bez plechu), chráněné šrouby, C Poměr teplot (šrouby ku plechu), chráněn. šrouby, % Rozdíl teplot (šrouby bez plechu), nechráněné šrouby, C Poměr teplot (šrouby ku plechu), nechráněné šrouby, % Nárůst teploty (nechráněné/chráněné šrouby), %

4 3 ANALYTICKÝ MODEL Nátěr byl při akreditaci zkoušen na profilech HEA 2, HEA 3, IPE 1, IPE 2, dutý průřez 1 x 1 x 7,1 a trubka 76,1 x 5, viz [9]. Závislost vypočítané a změřené teploty experimentálního vzorku HEA 3 je pro jednu ze tří zkoušených tlouštěk na obr. 3. Je vidět, že výpočet je pro hodnoty před zpěněním nekonzervativní ( až 12 min) a pro hodnoty po zpěnění dobře předpovídá teplotu vzorku při experimentu až do konce zkoušky. Na obr. 4 je porovnána předpověď pro nechráněný přípoj, podle rovnice (4.25) v [4], a předpověď pro chráněný přípoj s použitím součinitele pro celý experimentální vzorek A set /V set = 188 m -1, který nejlépe popisuje situaci. Pro měrnou hmotnost napěněného nátěru ρ p,eff = 2 kg m -3, měrné teplo c p,eff = 12 J kg -1 K -1 a tepelnou vodivost λ p,eff =,1 W m -1 K -1 vychází z přírůstkové rovnice, viz (4.27) v [4], efektivní tloušťka zpěňujícího nátěru d p,eff = 6,5 mm. V praxi se nejčastěji při návrhu uvažuje se součinitelem průřezu připojovaného profilu IPE 16 A b /V b = 33 m -1, součinitele pro samotný styčníkový plech A fin /V fin = 349 m -1. Zkouška ukázala, že předpověď součinitele pomocí vztahu 2 / t p = 333 m -1, viz [6], kde t p je tloušťka styčníkového plechu, je poměrně konzervativní Teplota, C Teplota plynu 746 C 359 C 364 C Předpověď 83 C 528 C 578 C Změřená teplota 9 C 668 C 946 C 741 C 749 C 71 C 98 C 816 C 835 C Počátek napěňování HEA Čas, min Obr. 3 Průměrná teplota šroubů a styčníkového plechu při zkoušce pro akreditaci nátěru [9] předpovědi a experimentu s přípoji s požárně chráněnými a nechráněnými šrouby 4 SHRNUTÍ Rozdíl teploty v plechu a v požárně nechráněných šroubech byl asi 28 C, což je asi 8 %. V plechu a požárně chráněných šroubech byla změřena stejná teplota. Při požití necháněných šroubů stoupne teplota ve styčníku o asi 16 %. Protože zkušební vzorek, jako výřez konstrukce, lze považovat za konzervativní model, není pro zkoušený nátěr třeba šrouby, při použití analytických modelů pro výpočet teploty se styčnících/rozšíření aplikace zkoušky, ve styčnících chránit.

5 Teplota, C Teplota plynu, experiment 1 Teplota nechráněného průřezu, předpověď A set /V set = 188 m Předpověď celý vzorek A set /V set = 188 m -1 Průměrná teplota přípoje s chráněnými šrouby, experiment 4 Předpověď pro průřez nosníku A b /V b = 33 m -1 2 Průměrná teplota přípoje s nechráněnými šrouby, experiment Předpověď pouze styčníkový plech A fin /V fin = 349 m Čas, min Obr. 4 Průměrná teplota šroubů a styčníkového plechu při zkoušce č. 3 a porovnání OZNÁMENÍ Při zkoušce se styčníky byl požit požárně ochranný nátěr Promapaint, o mokré průměrné tloušťce 3731 μm a suché průměrné tloušťce 25 μm, který se doporučuje na požární ochranu konstrukčních prvků o součiniteli průřezu A/V = 2 m -1 do 6 min. Práce byla vykonána v rámci Výzkumného centra CIDEAS s podporou Ministerstva školství projekt č. 1M LITERATURA [1] Wald F., Chladná M., Moore D.B., Santiago A., Lennon T.: Temperature distribution in a fullscale steel framed building subject to a natural fire, Steel and Composite Structures, r. 6, č. 2, s , ISSN [2] ČSN EN : 25, Navrhování ocelových konstrukcí, Navrhování styčníků, ČNI, Praha 26, 133 s. [3] Al-Jabri K.S., Lennon T., Burgess I.W., Plank R.J.: Behaviour of steel and composite beamcolumn connections in fire, Journal Constructional Steel Research, Díl. 46, s. 1-3, [4] ČSN EN : 25, Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 26, 78 s. [5] Newman L.C., Dowling J.J., Simms W.I.: Structural fire design: Off-side applied thin film intumescent coatings, Second edition, SCI P16, 39 s., ISBN [6] Fire protection for structural steel in buildings. 3 rd Edition, Association for Specialist Fire Protection, The Steel Construction Institute and Fire Test Study Group, 24. [7] Tichá A., Wald F., Uhlíř, A.: Teplota šroubovaných přípojů čelní deskou, v Teoretické a konštrukčné problémy oceľových a drevených konštrukcií - Ľahké oceľové konštrukcie, Bratislava, Slovenská technická univerzita, 25, s ISBN [8] Wald F., Uhlíř, A., Tichá A.: On bolted connection with intumescent coatings, SIF 6, Univeristy in Oviero, Portugalsko 26, s. 6, v tisku. [9] Louma M.: Protokol o zkoušce požární odolnosti, Pavus a.s., protokol č. Pr , Veselí nad Lužnicí, 26, s. 35.