Prof. Ing. Jaroslav Procházka ČVUT Fsv Praha katedra betonových konstrukcí

Transkript

1 Betonové konstrukce - požárn rní návrh Prof. Ing. Jaroslav Procházka ČVUT Fsv Praha katedra betonových konstrukcí

2 Beton z požárního hlediska Ohnivzdorný materiál: - nehořlavý - tepelně izolační Skupenství: pevné, kapalné, plynné Voda vázaná: chemicky, fyzikálně Pórovitost, propustnost

3 Vliv teploty na beton Nad 100 C: - klesá vlhkost betonu - dehydratuje cementový tmel - částice kameniva se rozpínají, vznikají v nich rozdílná teplotní přetvoření - v cementovém tmelu mikrotrhliny - rozdílné teplotní přetvoření na styku kameniva a cementového tmelu beton se nerozpadá, povrchové částice odpadávají

4 Vliv teploty na beton Nad 350 C: - dehydratace kameniva -začátek porušování kameniva -nejdříve se začíná porušovat např. křemenný štěrk, později drcená žula apod. Se stoupající teplotou - do 1200 C: - transformace materiálu (oddělování kalcium hydroxidu a kalcium karbonátu Nad 1200 C: - tavení materiálu

5 Účinek požáru na beton Odpadávání úlomků betonu od povrchu: příčina: tlak vodní páry v pórech Odštěpování více pravděpodobné u betonu s: - vyšší vlhkostí - menší propustností vodních par (vysokopevnostní betony málo propustné) Opatření: syntetická vlákna, výztužné sítě Pokles pevnosti -do 300 C konstrukčně nevýznamné, pak rychlý pokles Beton ochrana výztuže

6 Vliv zvýšené teploty konstrukce Změna materiálových vlastností: - mechanických (změna pevnosti v závislosti na teplotě), - fyzikálních (změna teplotní roztažnosti, specifického tepla, teplotní vodivosti) Změna statického působení konstrukce

7 Experimenty Omezeny většinou na prvky Nejméně konzervativní, nejpřesnější měření Poměrné nákladné Platné pouze pro zkoušené prvky Nemohou zajistit spolehlivost celé konstrukce, tu lze zajistit pouze výpočtem a správným návrhem

8 Zkouška požární odolnosti stropního panelu

9

10

11 Zkouška požární odolnosti panelu TT

12

13

14

15 Zkouška požární odolnosti sloupu

16 Zkouška požární odolnosti stěny

17 Ukončení zkoušky požární odolnosti stěny

18 Přístup k navrhování Materiálově založený přístup - nedostatečný, důležitý i vliv zatížení a chování konstrukce Přístup EN : přihlíží k: - možnému zatížení při požáru - fyzikálním a teplotním vlastnostem betonu a oceli - chování prvků, popř. celé konstrukce

19 Teplotní analýza požárního úseku Etapy hoření: iniciace, rozvoj, vzplanutí, rozvinutí požáru, ochlazování Požár s přístupem kyslíku (požár řízený palivem), s omezeným přístupem kyslíku (požár řízený ventilací) Nejvěrnějšíteplotníanalýza vychází ze skutečného požáru a popisuje průběh teploty v daném požárním úseku v čase v závislosti na poloze prvku, hustotě požárního zatížení a ventilačních okrajových podmínkách.

20 Teplotní analýza podle důležitosti navrhované konstrukce využívá: 1) Metody vycházející z nominální teplotní křivky nejjednodušší a málo přesné řešení, neuvažuje se fáze ochlazování. 2) Metody založené na parametrických křivkách využívají fyzikálních parametrů a analytický popis průběhu teploty

21 Ověření spolehlivosti vzhledem k odolnosti konstrukce při požáru Podle času t fi,d t fi,req t fi,d t fi,req normová požární odolnost [min], tj. doba po kterou je konstrukce (popř. její část nebo prvek) schopna plnit nosnou funkci požadovaná požární odolnost [min], např. R 30

22 Podle únosnosti R fi,d E fi,d R fi,d návrhová únosnost při zvýšených teplotách (při požáru) E fi,d návrhový účinek zatížení při požární situaci Podle teploty kritická teplota teplota prvku

23 Výpočet odolnosti konstrukce výpočtem Teplotní analýza požárního úseku teplotní křivky - EN Zatížení v závislosti na teplotní křivce - EN Analýza přestupu tepla do konstrukce EN teplotní odezva Posouzení konstrukce EN 199X-1-2 mechanická odezva

24 EN : 2004 platí pro konstrukce navržené podle EN požární odolnost zajištěna pasivními prvky vlastní odolností konstrukce - zabránit předčasnému kolapsu, šíření požáru neplatí pro předpjaté konstrukce s vnějšími kabely a skořepiny Návrh: mimořádná návrhová situace rozdíly nebo dodatky k návrhu za normální teploty

25 Požadavky R -mechanická odolnost (únosnost) E -požárně dělící funkce (celistvost) I - tepelně izolační funkce (radiace) Zatížení při požáru h fi =0,7 E d,fi = h fi E d Vlastnosti materiálů mechanické X d,fi = k q X k / γ M,fi teplotní X d,fi = X k,q / γ M,fi ; γ M,fi = 1,0 Spolehlivost E d,fi R d,fi součinitel spolehlivosti

26 Mechanické vlastnosti Beton v tlaku - pracovní diagram Napětí, σ, MPa f c, θ ε c1, θ ε cu1, θ Přetvoření ε

27 Beton - redukční součinitel pro snížení f ck f ck,θ = k c, θ.f ck 1 0,8 k c, θ Normální beton s vápencovým kamenivem 0,6 0,4 0,2 Normální beton se silikátovým kamenivem θ, C

28 f ctk,θ = k ct,θ.f ctk k c,t,θ 1 0,8 0,6 0,4 0, Teplota, θ, C

29 Mechanické vlastnosti Výztuž - pracovní diagram Napětí, σ, MPa f sy, θ f sp, θ α E a,θ Přetvoření ε sp,θ ε sy,θ ε st,θ ε su,θ ε

30 Beton - redukční součinitel pro snížení f ctk,θ Výztuž - redukční součinitel pro snížení f yk 1 k s,θ 0,8 0,6 0,4 0,2 Tlačená výztuž a tažená výztuž (válcovaná za tepla i tvarovaná za studena) při ε s,fi < 2% Tažená výztuž (válcovaná za studena) při ε s,fi 2% Tažená výztuž (válcovaná za studena) při ε s,fi 2% θ, C

31 Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní roztažnost Teplotní roztažnost betonu ( l / l ). c Silikátové kamenivo Vápencové kamenivo θ a, C

32 Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - specifické teplo Měrné teplo betonu, 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 c p, θ, J kg K u = 3 % u = 1,5 % u = 0 % Teplota, θ a, C

33 Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní vodivost 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 λ c W m -1 K -1 Horní mez Spodní mez θ a, C

34 Teplotní a fyzikální vlastnosti Výztuž - teplotní roztažnost ( l / l ). c 10 3 Betonářská výztuž Předpínací výztuž θ a, C

35 Návrhové metody Návrh podle tabulek tabulky pro kategorie prvků Zjednodušené metody únosnost průřezů: - metoda izotermy zónová metoda Obecná metoda analýza reálného chování za požáru

36 Návrh podle tabulek h b a a b a, a, a a, a a, a 5 6 a b sd a 1 a a 5 6 a 3 E, I splněny dodržením min. tloušťky prvku R dodržet osovou vzdálenost výztuže a (obr.) a b min dodržet konstrukční zásady bez dalšího ověřování na smyk, kroucení, kotvení

37 Trámy Definice rozměrů pro různé průřezy trámů b w d 1 d eff b b b d 2 Konstantní šířka Proměnná šířka I průřez A B b C w A B A - A d eff B - B d eff Pomyslný příčný průřez C nosníku I průřezu

38 Desky Tloušťka desky h 2 Podlaha (nehořlavá) Podlaha (nehořlavá) Zvuková izolace, Betonová deska h 1 (případně hořlavá) h 1 Betonová deska h 2 h = h 1 + h 2 Výztuž nad podporou A Směr rozpětí A Rozsah systému bez příčných stěn nebo trámů Nebezpečí křehkého porušení Není zabráněno pootočení Řez A - A Není zabráněno pootočení

39

40 Tabulky Uvažují kritickou teplotu betonářské výztuže 500 C U tažených a jednoduše podporovaných prvků, u kterých je kritická teplota jiná než 500 C, lze upravit osové vzdálenosti vložek od povrchu: Redukční součinitele - stanoví se 0,8 Ed,fi fyk (20 C ) As,req σ s,fi = 0,6 Ed γ s As,prov 0,4 -určí se k s,θ,cr = σ / f s,fi yk (20 C) - stanoví se kritická teplota z grafu - zmenší se hodnota a z tabulek o a = 0 1, (500 θ ) 1 0,2 0 ks,θ,cr, k p,θ,cr Předpínací výztuž (dráty a lana EN a -3) Betonářská výztuž (EN 10080) Předpínací výztuž (pruty EN ) cr θ cr C Kritická teplota

41 Zjednodušené metody mezní únosnost otepleného průřezu namáhání M, N, M - N rozložení teploty v konstrukci při požáru zkoušky, teplotní profily, výpočet Metoda izotermy 500 Zónová metoda beton o teplotě > 500 zanedbán dělení průřezu na zóny vyloučení teplotou poškozeného betonu

42 Teplotní profil pro desku tloušťky 200 mm R60 R θ, C R30 R60 R240 R180 R120 R Vzdálenost od exponovaného povrchu x, mm

43 Teplotní profil pro trám 600 x 300 mm R60 R

44 Teplotní profil pro sloup průměru 300 mm - R

45 Metoda izotermy 500 C 500 C 500 C T hfi h T d fi = d C d fi d b fi b b fi b b fi b C tlačená zóna T - tažená zóna 1) Stanovíme izotermu 500 a d fi, h fi 2) Určíme teplotu tažené a tlačené výztuže 3) Určíme redukované pevnosti výztuže

46 Oboustranně vyztužený průřez x A ś λ x η f cd,fi,20 λ b fi h f cd,fi,20 F = A s2 f scd,fi, θ s,m z d fi z M u1 z M u2 A s A s1 f sd,fi, θ F s = A s2 f sd,fi, θ b fi A s1 = A s A s A s2 = A s M Rd,fi = M u1 + M u2 ( f cd,fi,20 = f ck / γ c,fi ) Podmínka spolehlivosti M Rd,fi M Ed,fi

47 Zónová metoda (pouze pro normovou teplotní křivku) M 1 k θ c,,m1 k c, θ,m1 k c, θ,m1 w 2 a z1 a z1 w w1 1 a z1 w 1 w 1 a z1 a z1 a z2 Redukované průřezy

48 Postup: průřez se rozdělí na zóny ve středu každé zóny se stanoví teplota θ i pro každou zónu se určí redukční součinitel k c (θ i ) stanoví se střední hodnota redukčního součinitele k cm stanoví se tloušťka a z požárem poškozené části průřezu stanoví se redukované pevnosti a provede se výpočet mezní únosnosti redukovaného průřezu

49 M k c,θ,m k c,θ,3 k c,θ k c,θ,2 k c,θ,1 w w Rozdělení stěny, vystavené požáru z obou stran, na zóny při výpočtu redukované pevnosti a tloušťky a z teplotou poškozené části průřezu

50 Obecná metoda Reálný výpočet konstrukce vystavené požáru Použitý postup má být ověřen zkouškou 1:1 Modely: Teplotní odezva - zatížení podle EN teplotní a fyzikální vlastnosti závislé na teplotě Mechanická odezva - závislost mech. vlast. na teplotě napětí a přetvoření od teploty podmínky uložení a omezení deformacív

51 Odprýskávání nepravděpodobné pro vlhkost menší než 3% hmotnosti Odpadávání betonu pozdější stádia požáru - krytí větší než 70 mm síť

52 Vysokohodnotný beton (HSC) Doplňující ustanovení: Pevnost betonu : HSC rozděleny do třech tříd: 1. C 55/67, C 65/75, 2. C 75/80, C 80/95, 3. C 90/105 pro jednotlivé třídy a teploty betonu uvedeny f c,θ / f ck Odštěpení - C55/67 až C80/95 s obsahem křemičitého úletu < 6% hmotnosti cementu - pravidla pro normální beton - C55/67 až C80/95 s k.ú. >6% a C90/105 provést: a) síť, b) zkouška, že nedochází k odštěpení, c) ochranná vrstva s průkazem, že nedochází k odštěpení d) polypropylénová vlákna min. 2 kg/m 3

53 Únosnost je třeba stanovit: - zjednodušenou metodou - obecnou metodou Při výpočtu efektivního průřezu se redukovaná tloušťka a 500 zvětší součinitelem k - HSC 1. třída k = 1,1 (posun z 500 C na 460 C) 2. třída k = 1,3 (posun z 500 C na 400 C) 3. třída nutný přesnější postup Redukce momentu únosnosti M d,fi = M 500 k m k m = 0,85 0,98 podle typu prvku, třídy betonu a vystavení požáru (z jedné nebo více stran)

54 Požární zkouška Cardington Budova -půdorysná plocha 6750 m 2 - pole 7,5 m x 7,5 m -počet podlaží 7 - požární odolnost 60 min

55 Požární zkouška - 1. podlaží -plochapožární sekce 225 m 2 - stropní deska: tloušťka 250 mm, krytí 20 mm beton f c = 74 MPa vlhkost 3,8 % hmotnosti zatížení nahoře 3,25 kn/m 2 - sloup:0,4m x 0,4 m, 0,4 m x 0,25 m světlá výška 4250 mm krytí 40 mm beton f c = 103 MPa polyp. vlákna 2,7 kg/m 3 vlhkost 4,2 % hmotnosti přitížení, aby os. síla N = 925 kn

56 Před požárem požární zatížení 40 kg/m 2 ( 720 MJ/m 2 ) podepření pro případ havárie - bez dotyku s deskou

57 Plně rozvinutý požár - po 10 min. odštěpování betonu ze spodního líce desky

58 Průběh teploty za požáru

59 Po požáru - rozsah odštěpení betonu

60 Sloup z vysokopevnostního betonu po požáru Beton s přísadou polypropylénových vláken 2,7 kg/m 2 betonu

61 Tlakové membránové působení

62 Děkuji za pozornost