Zkouška konstrukční celistvosti v Cardingtonu, příprava zkoušky

Transkript

1 Zkouška konstrukční celistvosti v Cardingtonu, příprava zkoušky ne 6. ledna 003 byla pod vedením pracovníků z ČVUT v Praze uskutečněna požární zkouška konstrukce ocelobetonového vícepodlažního skeletu v laboratoři na zkoušky velkého rozsahu v Cardingtonu. Zkouška byla zaměřena na rozšíření poznatků z kolapsu komplexu budov WTC. září 00, zvláště progresivního kolapsu budovy WTC 7. Příspěvek je zaměřen na přípravu zkoušky a využití termokamery při experimentu. Pokračování příspěvku bude orientováno na provedení a hlavní poznatky ze zkoušky konstrukční celistvosti a na moderní způsob zvyšování požární odolnosti ocelových konstrukcí tepelným izolováním tlačených prutů a využitím velké požární odolnosti ocelobetonové desky. Požární úsek Pro zkoušku byl ve třetím podlaží zkušebního podlažního objektu vytvořen požární úsek o rozměrech 7 m x m, viz obr.. Zkoušela se stropní deska nad třetím podlažím. Stěny požárního úseku byly umístěny ve vzdálenosti cca m za vnější líc sloupů. Stěny tvořily příčky ze sádrokartonových desek (tloušťky 5 +,5 + 5 mm, koeficient tepelné vodivosti λ p = 0,0 W m - K - ) na ocelových tenkostěnných profilech. Konstrukce příčky byla ukončena 0,5 m pod stropem. Mezera byla uzavřena rohožemi z křemičitých vláken tak, aby byla umožněna volná deformace stropu. U obvodového pláště byl ponechán ventilační otvor o výšce,30 m a délce 9 m nad sádrokartonovou příčkou, viz obr., umístěnou za plynosilikátovou vyzdívkou výšky mm []. Sloupy uvnitř požárního úseku byly opatřeny protipožárním nástřikem (Cafco 300) o tloušťce 8 mm až 6 mm na bázi vermiculitu (o tepelné vodivosti λ p = 0,078 W m - K - ). Vnitřní sloupy (, ) byly chráněny pod styčníky s nosníky. Na vnějších sloupech (, ) byl nástřik až ke stropní desce včetně, m připojovaných nosníků, obr. 3. Trapézové plechy konstrukce stropu v požárním úseku byly bez tepelné izolace A B C F 0 Požární úsek Obr. Půdorys ocelobetonové experimentální budovy s vyznačením požárního úseku ve třetím podlaží a) b)

2 c) d) Obr. Sádrokartonové požárně dělící stěny - a) nosná konstrukce příčky, b) požární úsek zevnitř, c) okenní otvor v požárním úseku zevnitř, d) okenní otvor zvenku; podlaží nad požárním úsekem je chráněno křemičitanovými rohožemi a) b) Obr. 3 Tepelná ochrana sloupů - a) vnitřní sloupy po úroveň přípojů, b) vnější sloupy včetně přípojů a, m připojených nosníků Zkoušená část konstrukce Ocelovou konstrukci stropu v požárním úseku, která byla přímo vystavena požáru, tvořily válcované nosníky 305x65xUB (vnitřní) resp. 356x7x5UB (vnější) na rozpětí 9 m z oceli S75 (mez kluzu z experimentů 303 MPa a mez pevnosti 469 MPa) [3]. Průvlaky byly provedeny z profilu 356x7x5UB na rozpětí 6 m z oceli S355 s experimentálně stanovenou mezí kluzu 396 MPa a mezí pevnosti 544 MPa. Vnitřní sloupy 305x305x98UC a vnější sloupy 305x305x37UC byly navrženy z oceli S355. Přípoje nosníku na sloup tvořily čelní desky P8-x z oceli S75 a přípoje průvlaků desky P8-x50 (ocel S75) s osmi šrouby M0-8.8 o mezi pevnosti 869 MPa. Přípoje nosníků na průvlaky tvořily desky na stojině P0-x00 se čtyřmi šrouby M Ocelobetonová deska byla betonována z lehkého betonu LW 35/38 o tloušťce 70 mm nad vrchol vlny. Před zkouškou byla Schmidtovým kladivem ověřena krychelná pevnost 39,39±0,48 MPa. eska byla vyztužena sítí o 4 mm /m. Spřahovací trny 9-95 s charakteristickou hodnotou meze kluzu 350 MPa byly na nosnících umístěny do každé vlny trapézového plechu PMF CF70 tloušťky 0,9 mm, tj. po 300 mm na nosnících (na průvlacích po 00 mm). Průvlak 356x7x5UB Přípoj čelní deskou P8-x Přípoj čelní deskou P8-x50 Přípoj deskou na stojině P0-x00 Sloup 305x305x37UB Přípoj čelní deskou Nosník P8-x50 356x7x5UB Obr. 4 Prvky konstrukce stropu vystavené požáru N Nosník 305x65xUB Sloup 305x305x98UB Nosník 305x65xUB

3 50() 0 0(5) 7(5) výztužná síť A4 8M0 55 6(7) 4M (9) () a) b) c) Obr. 5 Stropní konstrukce - a) přípoje čelní deskou, b) přípoje deskou na stojině a c) ocelobetonové desky Zatížení Budova byla navržena jako běžná administrativní budova v hrabství Bedford v jihovýchodní Anglii, tj. ve výpočtu se uvažovalo s 3,65 kn/m stálého zatížení a s 3,5 kn/m nahodilého zatížení. Pytle s pískem, každý o tíze kn na ploše 8 m x 0,5 m, viz obr. 6, doplňovaly během zkoušky plné stálé a dlouhodobé nahodilé zatížení a představovaly 56 % krátkodobého nahodilého zatížení. Mechanické zatížení bylo navrženo na kolaps ocelobetonové desky [4]. Mezního stavu celistvosti otevřením trhliny u sloupu dosáhla deska v 57 minutě experimentu. Mezního únosnost desky nebyla vyčerpána. 3 hranic z dřevěných hranolů 50 x 50 x 000 mm o vlhkosti,8 % tvořilo požární zatížení kg/m, které odpovídá požárnímu zatížení v administrativní budově, viz obr. 7. Záběr na fotografii; obr. 6a) Požární úsek na třetím podlaží a) b) Pytle s pískem na čtvrtém podlaží Obr. 6 Mechanické zatížení pytli s pískem a) zatížení po experimentu, trvalá deformace desky 950 mm; b) schéma rozmístění pytlů Obr. 7 Požární zatížení dřevěnými hranoly ve 3 hranicích Měření 50 snímačů zaznamenávalo teploty a poměrné deformace. Snímače byly propojeny s ústřednou Orion elta umístěnou v přízemí objektu, která data odečítala, převáděla a zaznamenávala. K vyhodnocení byla data ukládána připojeným osobním počítačem. Teploty v požárním úseku, na nosnících, styčnících a v betonové desce zaznamenávalo 48 termočlánků. Vnitřní síly ve styčnících byly určovány deseti vysokoteplotními tenzometry (HITC PROUCTS, INC., HBWAH--50-6NL). Napjatost v tepelně izolovaných sloupech a v ocelobetonové desce byla vyšetřována 57 nálepkovými tenzometry pracujícími do teplot 00 až 50 C. 37 induktivních snímačů deformací zachycovalo změnu geometrie konstrukce. 3

4 C F Vodorovné deformace Svislé průhyboměry C4 Tenzometry na desce Tenzometry na výztuži 500 Termočlánky Obr. 8 Měření na ocelobetonové stropní desce třetího podlaží N K záznamu průběhu hoření a deformace sloupů a stropní desky sloužilo deset videokamer umístěných vně i uvnitř objektu. vě termokamery (FLIR 695 PM) s objektivy se zorným polem o úhlu 6 umožnil rozlišení měřeného bodu na konstrukci o velikosti přibližně 4 x 4 mm. Matice teplot byly stanoveny z koeficientu emisivity ocelových prvků zjištěné před zahájením zkoušky. misivita se v průběhu teplotního vývoje snímané konstrukce mění a proto byly získané matice teplot přepočteny na základě znalosti referenčních teplot, změřených termočlánky umístěnými v zorných polích termokamer. Na obr. 9a je termogram zobrazující rozložení teplot na konstrukci, zaznamenané jednou z termokamer v 57 minutě experimentu. V této době byla termočlánkem na dolní pásnici ve středu nosníku naměřena nejvyšší teplota 088 C. Grafický záznam teplot při rozpětí 0 C až 050 C zachycuje celé rozpětí teplotního reliéfu v zorném poli objektivu kamery. Na obr. 9b jsou rozdíly teplot ve výseku požárního úseku zvýrazněny zůžením teplotního rozpětí termogramu na 850 C a 050 C. Zobrazení teplot pod 850 C je potlačeno. Obr. 0 dokumentuje průběhy teplot na nosníku v liniích vyznačených na obr. 9b. Záznam je rozdělen na dvě části pro odfiltrování prvku ve fasádě budovy a zavěšeného úpalku I profilu pro ověření zpěnění požárního nátěru za přirozeného požáru. Nejvyšší teploty bylo na přípoji nosníku na průvlak deskou na stojině nosníku dosaženo v 63 minutě experimentu (908,3 C). Rozložení teplot ve výseku požárního úseku v tomto okamžiku ukazuje obr. a. Na obr. je graf rozdělení teploty po výšce nosníku a průvlaku v okolí styčníku a na přípoji deskou na stojině nosníku stanovený ze záběru termokamery. Při chladnutí se vlivem tepelné setrvačnosti ochlazují nosníky rychleji než styčníky. Na obr. b je zaznamenán teplotní reliéf v okamžiku největšího rozdílu teplot chladnoucího styčníku a nosníku v 9 minutě experimentu. 050,0 C ,0 C LI0 LI03 LI0 LI04 LI06 LI ,0 C 850,0 C a) b) Obr. 9 Záběry z termokamery při nejvyšší naměřené teplotě nosníku v 57 min. - a) termogram s absolutním rozložením teplot v záběru kamery, b) záznam se zúženým rozsahem vizualizovaných teplot a s vyznačením měřených profilů 4

5 C IR0 C IR0 000 li0 li0 li li04 li05 li06 Line Min Max... li0 90,0 C 967,4 C li0 96,0 C 99,0 C li03 906,6 C 985,0 C Line Min Max... li04 974,6 C 0, C li05 007,4 C 047,7 C li06 005,8 C 04, C a) b) Obr. 0 Vyhodnocení termogramu v profilech na obr. 9b v 57 min. experimentu, kdy byla termočlánkem změřena nejvyšší teplota dolní pásnice ve středu nosníku 088 C 930,0 C 597, C LI0 LI0LI03LI04LI ,0 C 390,0 C a) b) Obr. Záběry z termokamery a) při nejvyšší naměřené teplotě přípoje v 63 min. experimentu, b) záznam v 9 min. experimentu v době největšího rozdílu teploty ve styčníku a na chladnoucím nosníku C IR0 li0 li0 li li04 li05 0 Line Min Max... li0 8,3 C 884,9 C li0 858,0 C 885,3 C li03 844,3 C 8,3 C li04 853,5 C 884,0 C li05 853,5 C 887,6 C Obr. Vyhodnocení termogramu v profilech na obr. a v 63 min. experimentu, kdy byla změřena nejvyšší teplota přípoje deskou na stojině nosníku 908,3 C Závěrem Na přípravě a provedení zkoušky se po dobu tři a půl měsíce podílelo 9 pracovníků; dva doktorandi a čtyři pracovníci z Českého vysokého učení technického v Praze, osm pracovníků z British Research stablishment ve Watfordu, dva doktorandi a jeden pracovník z University v Coimbře, jedna doktorandka z Technické university v Bratislavě a jeden kolega z University v Sheffieldu. Práce se uskutečnily s podporou grantu pátého rámcového programu vropské unie č. HPRI CV V současnosti je plně zpracována koncepce návrhu konstrukcí za běžné teploty. Předpověď lze provést na více úrovních přesnosti. U ocelových konstrukcí, u nichž je dobrá znalost pracovního diagramu použitého materiálu a chování styčníků, je přesnost obvykle větší než se požaduje. Při požárních návrzích se vychází z experimentů na prvcích a předpověď výpočtem je zcela dostatečná. Modelování celých konstrukcí za požáru zatím není dostatečně experimentálně ověřeno. Odpovídající modely se pro využití v praxi teprve připravují. Pro rozvoj a ověření modelů pro dosažení úrovně přesnosti návrhu obvyklé za běžné teploty slouží zkoušky na skutečných objektech. F. Wald J. Pašek Oznámení 5

6 Autoři děkují za podporu této práce grantem pátého rámcového programu vropské unie č. HPRI CV 5535 a grantem Grantové agentury České republiky č. 03/04/00. Literatura [] Wald F., Beneš M.: Požární zkoušky v Cardingtonu, Konstrukce /004 v tisku. [] Wald F., Santiago A., Chladná M., Lennon T., Burges I., Beneš M.: Tensile membrane action and robustness of structural steel joints under natural fire, Internal report, Part Project of Measurements; Part Prediction; Part 3 Measured data; Part 4 Behaviour, BR, Watford, [3] Bravery P.N.R.: Cardington Large Building Test Facility, Construction details for the first building, Building Research stablishment, Internal paper, Watford 993, p. 58. [4] Bailey C.G., Lennon T., Moore.B.: The behaviour of full-scale steel-framed building subject to compartment fires, The Structural ngineer, Vol.77/No.8, 999, s