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

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

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

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

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

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

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

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

Zkouška požární odolnosti stropního panelu

Zkouška požární odolnosti panelu TT

Zkouška požární odolnosti sloupu

Zkouška požární odolnosti stěny

Ukončení zkoušky požární odolnosti stěny

Přístup k navrhování Materiálově založený přístup - nedostatečný, důležitý i vliv zatížení a chování konstrukce Přístup EN 1992-1-2: přihlíží k: - možnému zatížení při požáru - fyzikálním a teplotním vlastnostem betonu a oceli - chování prvků, popř. celé konstrukce

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.

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

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

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

Výpočet odolnosti konstrukce výpočtem Teplotní analýza požárního úseku teplotní křivky - EN 1991-1-2 Zatížení v závislosti na teplotní křivce - EN 1991-1-2 Analýza přestupu tepla do konstrukce EN 1991-1-2 teplotní odezva Posouzení konstrukce EN 199X-1-2 mechanická odezva

EN 1992-1-2: 2004 platí pro konstrukce navržené podle EN 1992-1-1 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

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

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

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 0 0 200 400 600 800 1000 1200 θ, C

f ctk,θ = k ct,θ.f ctk k c,t,θ 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 100 200 300 400 500 600 Teplota, θ, C

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

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% 0 0 200 400 600 800 1000 1200 θ, C

Teplotní a fyzikální vlastnosti Beton - teplotní roztažnost Teplotní roztažnost betonu ( l / l ). c 10 16 3 14 12 Silikátové kamenivo 10 8 6 4 2 0 Vápencové kamenivo 0 200 400 600 800 1000 1200 θ a, C

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 % -1-1 0 200 400 600 800 Teplota, θ a, C

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 0 200 400 600 800 1000 1200

Teplotní a fyzikální vlastnosti Výztuž - teplotní roztažnost ( l / l 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 ). c 10 3 Betonářská výztuž Předpínací výztuž θ a, C 0 200 400 600 800 1000 1200

Návrhové metody Návrh podle tabulek tabulky pro kategorie prvků Zjednodušené metody únosnost průřezů: - metoda izotermy 500 - zónová metoda Obecná metoda analýza reálného chování za požáru

Návrh podle tabulek h b a a b a, a, a 1 2 3 1 2 3 a, a 4 4 5 6 7 7 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

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

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

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 10138-2 a -3) Betonářská výztuž (EN 10080) Předpínací výztuž (pruty EN 10138-4) 0 200 400 600 800 cr θ cr C Kritická teplota

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

Teplotní profil pro desku tloušťky 200 mm R60 R240 1200 θ, C 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 R30 R60 R240 R180 R120 R90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vzdálenost od exponovaného povrchu x, mm

Teplotní profil pro trám 600 x 300 mm R60 R60 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 300 400 500 600 700 800 900 200 100 0 20 40 60 80 100 120 140

Teplotní profil pro sloup průměru 300 mm - R60 140 120 100 80 300 800 500 600700 400 60 200 40 100 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140

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

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

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

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

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

Obecná metoda Reálný výpočet konstrukce vystavené požáru Použitý postup má být ověřen zkouškou 1:1 Modely: Teplotní odezva - zatížení podle EN 1992-1-2 teplotní a fyzikální vlastnosti závislé na teplotě Mechanická odezva - závislost mech. vlast. na teplotě napětí a přetvoření od teploty podmínky uložení a omezení deformacív

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

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

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)

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

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

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

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

Průběh teploty za požáru

Po požáru - rozsah odštěpení betonu

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

Tlakové membránové působení

Děkuji za pozornost