MATERIÁLOVÁ PROBLEMATIKA PŘI POŽÁRECH OCELOVÝCH A ŽELEZOBETONOVÝCH STAVEB The Materials Points at Issue in a Fire of Steel and Reinforced Concrete Structures Jan Toman a Robert Černý b a)čvut Praha, stavební fakulta, katedra fyziky b)čvut Praha, stavební fakulta, katedra stavební mechaniky Abstrakt One of the main criterions for the assessment of fire resistance of a structure is the time period from the fire inception when people still can safely leave the building. The second one is the expected time before the destruction of load bearing structures. Another important factor for the assessment of damages caused by the fire is the extent of irreversible changes in the materials of bearing structures induced by their high temperature exposure up to 1200 o C. In the paper, the above criteria are analyzed on the basis of the determination of basic physical quantities characterizing the behavior of the most important materials for the assessment of fire resistance properties of building, namely steel, reinforced concrete and fire protection linings. Při požárech stavebních objektů je jedním z hlavních kriterií pro posouzení odolnosti stavby určení doby, která uplyne od vzniku požáru do okamžiku, kdy je ještě zachváceným prostorem bezpečný únik nechráněných lidí z místa požáru. Doplňujícím údajem je předpokládaná doba, kdy dojde k destrukci konstrukce. Další aspekt k posouzení škodlivosti požáru je rozsah trvalé destrukce materiálu konstrukce, který byl namáhán vysokou teplotou (cca 1200 o C). Příspěvek je věnován rozboru těchto kriterií na základě sledování teplotní závislosti rozhodujících fyzikálních veličin, které daný materiál (ocel + protipožární obklad či železobeton) v konstrukci popisují vzhledem k jeho požadovaným vlastnostem. 1.ÚVOD Při navrhování všech staveb se v dnešní době musí dodržet předepsané zásady protipožární bezpečnosti této stavby. Předpisy pro tyto zásady jsou sestaveny podle předpokládaného využití projektované stavby. Vždy však vycházejí z toho, aby bylo respektováno několik základních požadavků : omezit šíření požáru tak, aby nedošlo k ohrožení lidí, opouštějících objekt po vzniku požáru a aby byla zaručena určitá doba od vzniku požáru (jejíž délka se
určuje podle předepsané bezpečnosti objektu s ohledem na jeho projektové využití), ve které je ještě zaručena stabilita konstrukce. Aby bylo možno tyto zásady dodržet, je nutno se rozhodnout pro vhodnou volbu konstrukčního systému a také pro volbu vhodného konstrukčního materiálu. To znamená, že musíme při volbě materiálu sledovat ne jenom jeho mechanické vlastnosti, které jsou důležité pro stabilitu plánované konstrukce, ale i jeho termofyzikální vlastnosti. Protože ale většina fyzikálních vlastností materiálů závisí na podmínkách, ve kterých se daný materiál nachází, je nutno z důvodů protipožární bezpečnosti konstrukce znát tyto vlastnosti ne jenom za normálních podmínek, ale i v podmínkách požáru. Velmi nám v tomto ohledu pomůže, známe-li závislost sledovaných veličin na teplotě. Ta je však u porézních materiálu ovlivněna také zaplněním pórů materiálu vlhkostí, tedy je nutno znát závislost sledované veličiny pro daný materiál na jeho teplotě a vlhkosti. Při zjišťování těchto závislostí je také velmi důležitým poznatkem stanovení teploty, kdy dojde k úplné destrukci sledovaného matriálu, nebo kdy v něm nastanou již nevratné strukturální změny. Pak i průběh proměřované vlastnosti bude mít zcela jiný charakter jedná se již vlastně o jiný materiál. Protože ale pro některé materiály - např. ocel - jsou jejich mechanické a pevnostně elastické vlastnosti pro navrhovanou konstrukci velice výhodné a jejich termofyzikální vlastnosti naopak nevýhodné, je nutno doplnit pevnostně statický nosný systém konstrukce z takového materiálu ještě systémem ochranným z materiálu, jehož termofyzikální vlastnosti zabezpečí protipožární ochranu. To bývá obvykle řešeno obklady z izolačních materiálů, kterými se chrání nejčastěji kovové či snadno hořlavé konstrukce. Samostatnou kapitolu při studiu vlivu zvyšování teploty na kvalitu a vlastnosti konstrukčního materiálu tvoří problematika železobetonu. Aby zde nedocházelo k porušení celistvosti materiálu je nutno sledovat samostatně vlastnosti ocelové výztuže a vlastního betonu. V tomto ohledu bude mít největší význam podobnost součinitele teplotní (ale u betonu i vlhkostní) délkové roztažnosti a nosné konstrukce. 2. PROTIPOŽÁRNÍ OBKLADOVÉ MATERIÁLY Většina kovů má termofyzikální vlastnosti takové, že stavební konstrukce navržené z kovových materiálů mají velmi malou protipožární odolnost. Je to dáno hlavně tím, že mají velmi malou měrnou tepelnou kapacitu a velký součinitel tepelné vodivosti. Proto při jakémkoli tepelném zdroji rychle narůstá teplota v celé konstrukci. A protože je známo, že u většiny kovů dochází ke značnému poklesu pevnosti již při poměrně nízkých teplotách (např. u oceli u cca 400 o C), jsou časové limity pro zachování potřebné protipožární bezpečnosti u kovových konstrukcí těžko dosažitelné. Aby se tento nedostatek kovových konstrukcí eliminoval, využívá se pro zabránění rychlému nárůstu teploty v konstrukci speciálních protipožárních obkladů. Ve stavební praxi se dnes vyrábí celá řada obkladových desek z různých materiálů, jejichž izolační vlastnosti prodlouží dobu stability konstrukce podle požadavků daného stupně požární bezpečnosti navrhované stavby. U těchto materiálů je nejdůležitější charakteristikou jejich součinitel tepelné a teplotní vodivosti. Preferují se nehořlavé materiály, ale některých případech je možno využít i levnějších obkladů hořlavých, protože jejich izolační schopnost, která omezuje přívod tepla do chráněné kovové konstrukce, obvykle mnohonásobně převyšuje vliv jejich energetického přírůstku při jejich povrchovém hoření. Doplňující funkcí těchto obkladových materiálů často bývá i jejich využití pro estetické ztvárnění povrchu sledovaného interiéru.
Z hlediska posouzení funkčnosti těchto materiálů bývá užitečné znát průběh jejich závislosti termofyzikálních a hygrických vlastností na jejich teplotě a vlhkosti. To pak umožňuje sestavit fyzikálně-matematický model celého problému nárůstu teploty v konstrukci s časem od vzniku požáru a podle protipožárních požadavků volit nejvhodnější obklad v potřebné tloušťce. U nás jsou z komerčně vyráběných ochranných obkladů nejznámější desky EZALIT a DUPRONIT (výrobce EZA Šumperk) či sklocementové desky (výrobce VÚSH Brno). V řadě případů se používá i obkladů dřevěných, přestože jsou hořlavé, ale z důvodů dobré tepelné izolace značně prodlouží dobu stability chráněné kovové konstrukce. 3.POŽÁRNÍ PROBLEMATIKA ŽELEZOBETONOVÝCH KONSTRUKCÍ Při sledování stability železobetonové konstrukce při zvyšování její teploty je nejdůležitější, zda nedochází k porušení vazby mezi vlastním betonem a ocelovou výztuží. Na povrchu těchto konstrukcí bývá obvykle prostý beton, jehož tepelná vodivost je ve srovnání s tepelnou vodivostí oceli poměrně malá. Tato povrchová vrstva betonu tedy vlastně slouží jako protipožární ochrana, aby se vlastní výztuž rychle nezahřála a neztrácela pevnostní požadované vlastnosti. Tím se již částečně upravuje doba pro nezbytné protipožární bezpečnosti. Jakmile se ale začne projevovat zvyšování teploty na styku betonu s výztuží, hrozí nebezpečí porušení pevnosti spojení, neboť může dojít ke značnému rozdílu v teplotní dilataci mezi betonem a výztuží. Při normálních teplotách jsou hodnoty součinitele délkové teplotní roztažnosti betonů a ocelí používaných pro výztuže velmi podobné. Jejich teplotní závislost však probíhá různě a proto se při vyšších teplotách mohou výrazně lišit délky prodloužení betonu a výztuže. Mezi betonem a výztuží tak vzniká napětí, které může mít za následek porušení vazby. Zjištění teplotní závislosti součinitele délkové teplotní roztažnosti použitého betonu a ocele výztuže až do teploty 1200 o C bude potom jedním z hlavních ukazatelů, kterým je možno hodnotit stabilitu dané konstrukce v oblasti vysokých teplot při požáru. Další významný sledovaný efekt, který bude ovlivňovat stabilitu celé konstrukce, budou změny struktury, které nastanou při zvyšování teploty přímo v betonu. Jedná je obvykle o chemické změny, které při dosažení určité teploty proběhnou v jednotlivých složkách použitého betonu. Při některých těchto chemických změnách může dojít k úplné destrukci materiálu. Velký význam může hrát i přítomnost vody ve vlhké konstrukci, která se při zvýšení teploty rychle vypařuje a může způsobit mechanické porušení vznikem trhlin, což urychlí celkovou destrukci. Významným poznatkem pro poznání předpokládaného chování konstrukce v modelovém teplotním namáhání je i znalost všech ostatních termofyzikálních a hygrických vlastností v závislosti na teplotě, ale i na vlhkosti betonu. 4. VLASTNOSTI LÁTEK PŘI ZMĚNĚ TEPLOTY Materiálové vlastnosti jsou pro další popis a pro charakteristiku použitých materiálů v technické praxi specifikovány fyzikálními veličinami. Tím je vlastně určována kvalita materiálů. Každá fyzikální veličina je potom z tohoto hlediska určena přesně definovaným fyzikálním rozměrem, který je vyjádřen buď pro danou veličinu speciálně nazvanou jednotkou, či jednotkou, utvořenou roznásobením jednotek základních, nebo jiných jednotek
častěji užívaných. Kvantita této vlastnosti je pak vyjádřena násobkem základní hodnoty této vlastnosti, která je přesně definována velikostí jednotky pro sledovanou veličinu. Pro kvantitativní i kvalitativní vyjádření dané materiálové vlastnosti je proto nutno uvádět číselně velikost a jednotkou (rozměrem) charakterizovat sledovanou veličinu. Protože v dřívější době nebylo z důvodu obtížného měření často možné postihnout malé změny sledovaných vlastností daného materiálu, které jsou obvykle závislé na celé řadě vnějších okolností, bylo s postačující přesností kvantitativní vyjádření sledované vlastnosti (veličiny) stálé a proto se často hovořilo o materiálových konstantách. Ale s rozvojem techniky měření a jeho zpřesňováním i s využitím všech možností moderní výpočetní techniky jsou dnes postižitelné již i poměrně malé změny sledované veličiny. Není proto možné hovořit o materiálových konstantách, ale zavádí se pojem MATERIÁLOVÝ PARAMETR. Tím je vlastně pojmenována fyzikální veličina určující vlastnost materiálu, ale předpokládá se že její kvantitativní hodnota se bude měnit podle podmínek, ve kterých se daný materiál právě nalézá. Protože tyto vnější podmínky, které ovlivňují stav sledovaného materiálu, jsou nejčastěji specifikovány teplotou a u porézních materiálů také jejich hmotností vlhkostí, je pro dostačující popis vybraného materiálového parametru obvykle požadována znalost jeho teplotní a vlhkostní závislosti. 5. VELIČINY, CHARAKTERIZUJÍCÍ TERMOFYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Z hlediska posouzení termofyzikálních vlastností materiálů jsou nejdůležitější tyto veličiny : Měrná tepelná kapacita - c Je schopnost látky přijímat teplo vztahující se na jednotku hmotnosti. Definována je diferenciálním přírůstkem měrné entalpie dělené diferenciálním přírůstkem teploty pro danou teplotu d h m 1 d h c T = = d T m d T kde c T - je měrná tepelná kapacita při teplotě T T - teplota h m - měrná entalpie m - hmotnost h - celková entalpie V některých případech je důležitější udávat průměrnou hodnotu měrné tepelné interval 0 až T o C, kapacity pro
h m 1 h c OT = = T - T o m T - T o Hlavní jednotkou měrné tepelné kapacity je J. kg -1. K -1 (joule dělený kilogramem a kelvinem) V některých případech (nejčastěji v termodynamice plynu a v chemii) se užívá místo měrné tepelné kapacity tzv. molární teplo C (velké C), které je definováno jako míra schopnosti látky přijímat teplo, vztažená na látkové množství, tj. na jeden mol látky. Součinitel tepelné vodivosti - λ (měrná tepelné vodivost) Vyjadřuje schopnost látky vést teplo a je definován jako konstanta úměrnosti gradientu teploty a hustoty tepelného toku v látce -λ. grad T = q Jednotkou je W. m -1. K -1 (watt na metr a kelvin) Součinitel teplotní vodivosti - a (měrná teplotní vodivost) Vyjadřuje schopnost látky vyrovnávat teploty při neustáleném šíření tepla podle rovnice 2 T a. x 2 T = τ Hlavní jednotkou součinitele teplotní vodivosti je m 2. s -1 (metr na druhou za sekundu).
Relativní (poměrné) prodloužení - ε Vyjadřuje délkovou deformaci tuhého tělesa poměrem změny délky l = l - l o k počáteční délce l o podle vztahu ε = l / l o, l = l o ( 1 + ε ) Relativní prodloužení je bezrozměrné. Součinitel délkové teplotní roztažnosti - α T Vyjadřuje diferenciální změnu relativního délkového prodloužení vztaženou na přírůstek tepoty α T d ε = d T Rozměr součinitele délkové teplotní roztažnosti je K 1 (jedna lomeno kelvinem) Často se místo hodnoty součinitele délkové teplotní roztažnosti určeného pro teplotu T udává jeho průměrná hodnota v celém teplotním intervalu 0 až T. Pak se definuje ε α ot = T - T o Součinitel délkové vlhkostní roztažnosti - α u Vyjadřuje diferenciální změnu relativního délkového prodloužení vztaženou na přírůstek hmotnostní vlhkosti
d ε α u = d u kde u je hmotnostní vlhkost udávaná v %, definovaná vztahem m - m o u = m o když m je hmotnost materiálu vlhkého hmotnost materiálu vysušeného m o Rozměr součinitele délkové vlhkostní roztažnosti na % -1. Součinitel délkové vlhkostní roztažnosti mívá obvykle rozdílné hodnoty pro různé vlhkosti a také při sorpci a desorpci. Proto jeho průměrná hodnota bývá udávána pouze pro malé vlhkostní intervaly a může být různá při navlhání či sušení. Vliv vlhkostních dilatací je ale u některých materiálů tak výrazný, že pro běžné změny teploty o mnoho převyšuje význam dilatací teplotních a proto je nutno jej vždy respektovat. 6. ZÁVĚR Naše pracovní skupina na stavební fakultě ČVUT v Praze se podrobně zabývá studiem tepelně a vlhkostně izolačních vlastností stavebních materiálů v širokém intervalu teplot a vlhkostí. V rámci těchto prací bylo vyvinuto a praktickým měřením ověřeno mnoho speciálních měřících metod pro měření celé řady charakteristických termofyzikálních a hygrických veličin, které je možno použít i při extrémních teplotních i vlhkostních podmínkách. Mnoho měření bylo provedeno kromě speciálních izolačních materiálů i na cementových maltách a betonech. Srovnání těchto naměřených teplotních závislostí se známými hodnotami pro betonářské oceli potom podá obraz např.o vlastnostech požárem namáhaného železobetonu. 7. LITERATURA [1] Binko J. : Veličiny a jednotky SI v stavebnej fyzike, Bratislava, Alfa 1975 [2] Halahyja M. a kol. : Stavebná tepelná technika, osvetlenie a akustika, Alfa, Bratislava 1970 [3] Toman J.,Černý R.: Sledování vysokoteplotní stability stavebních materiálů, Výzkumné aktivity katedier fyziky na stavebních fakultách v ČR a SR, STU Bratislava 1997 s. 57-60
[4] Toman J.,Černý R.: Coupled Thermal and Moisture Expansion of Porous Materials. International Journal of Thermophysics, 17, 1996, pp.211-217 [5] Landolt H.,Boernstein R.: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. Vol. 11. Berlin, Springer Verlag 1979 Tento článek vznikl za podpory grantu Grantové agentury České republiky č. 103/00/0021.