Požární zkouška v Cardingtonu, ocelobetonová deska Modely chování konstrukcí za vysokých teplot při požáru se opírají o omezené množství experimentů na skutečných objektech. Evropské poznání je založeno na zkouškách v laboratoři v Cardingtonu. Experiment, který v této laboratoři proběhl pod vedením pracovníků z ČVUT v Praze, byl zacílen na rozšíření poznání o chování přípojů a ocelobetonové desky za požáru. Unikátní laboratoř, příprava zkoušky a průběh teplot v požárním úseku při této zkoušce byly popsány v předcházejících článcích [1]. Tento příspěvek je zaměřen na porovnání předpovědi chování ocelobetonové desky za požáru s experimentem. Teplota desky za požáru Teplota ocelobetonové desky v žebru byla měřena v sondách 1 na trapézovém plechu ( mm), v betonu (3 mm), na výztuži (75 mm) a na horním povrchu desky (13 mm), viz obr.1. Poblíž žebra byly termočlánky na plechu ( mm), na výztuži (15 mm), v betonu (35 mm) a na horním povrchu (7 mm); sondy 5 až 7. Plech se od betonu oddělil ve. minutě experimentu. Ve středu desky byly změřeny v žebru i mimo něj obdobné nejvyšší teploty, a to jak ve fázi zahřívání, tak i ve fázi chladnutí, okolo 5 C ve 1. až 15. minutě. Na horním povrchu dosáhla teplota betonové desky 11 C. Teplota výztuže v žebru nepřekročila C a mimo žebro C. Změřená teplota po výšce desky v sondě nad žebrem je zobrazena na obr.. Teplotu ocelobetonové desky lze předpovědět z teploty plynu v požárním úseku zjednodušeně podle normy, viz [] obr. 3, diferenční metodou, viz [3], nebo MKP. Rozvoj teploty desky závisí na množství vody v desce, viz obr.. Na desce skeletu byla během roku naměřena konstantní vlhkost kolem 3 %. 3 Teplota ve výztuži, C Deska, sonda 15 mm 1 5 3 6 7 Deska, sonda 1 Žebro, sonda Žebro, sonda 3 6 9 1 15 Čas, min. Obr. 1 Teplota výztuže v ocelobetonové desce a v žebru ve středu požárního úseku 1
Tlouťka desky, sonda, mm C517 13 1 5 5 15 onda 1 8 Výztuž C518 6 5 6 7 min C519 1 3 min C5 5 1 15 5 3 C517 C518 C519 C5 Teplota, C 7 3 3 Obr. Naměřená teplota po výšce desky v sondě nad žebrem 1 Teplota plechu, C z parametriké teplotní křivky 8 6 C5 Změřeno, C5 z nominální normové teplotní křivky G55 z teploty plynu v G55 1 3 5 6 7 Čas, min. Obr. 3 Porovnání předpovědi teploty plechu podle normy [] s naměřenou teplotou
7 6 5 3 1 Výška desky mimo žebro trapézového plechu, mm C55 C57 C58 C56 3% vhkosti Měřeno, sonda přibližně 3% vlhkosti % vhkosti předpověď % vlhkosti 1% vlhkosti % vhkosti C55 C56 C57 C58 6 8 1 Teplota v 6. minutě požáru, C onda Obr. Vliv vlhkosti na teplotu po výšce desky mimo žebro, vypočítané hodnoty teplot podle [3] a měřené v sondě v 6. minutě 35 15 7 3 3 L l a) b) Příčné trhliny v desce c) d) x = n L Obr. 5 Chování ocelobetonové desky s jedním nosníkem při zahřívání a) tuhý ocelobetonový nosník, b) plastický kloub ve středu rozpětí, c) liniové klouby v desce a d) porušení výztuže v desce Membránové působení Experimenty a požáry na skutečných budovách ukázaly, že slabě vyztužená ocelobetonová deska s hladkou výztuží přenáší při velkých deformacích většinu zatížení membránovým působením. Únosnost stropní konstrukce se skládá z únosnosti ocelobetonového nosníku a desky. Na začátku zahřívání působí pouze ocelobetonový nosník, 3
viz obr. 5a. Při ohřevu nosníku klesá jeho ohybová tuhost a narůstají deformace. Ve středu nosníku vzniká plastický kloub, jak je znázorněno na obr. 5b. Na obr. 5c,d je vidět, že při dalším zahřívání se v desce tvoří liniové klouby. Při velkých deformacích je membránové působení výrazné a přebírá většinu zatížení. K porušení desky dochází vytvořením trhlin ve směru kratšího rozpětí desky přetržením výztuže, viz obr. 5d. Chování lze popsat silovou metodou odvozenou pro membránovou napjatost v desce, viz []. Nejprve se, např. podle [], vypočte únosnost ocelobetonového nosníku za zvýšené teploty. Tvar porušení desky v liniových kloubech se stanoví podle velikosti požárního úseku. Průhyb desky se vypočte pro deformaci od účinků zatížení, které již nepřenáší nosník, viz obr. 6. Únosnost závisí na tvaru liniových kloubů a na únosnosti desky v těchto kloubech, respektive na deformační kapacitě a únosnosti výztuže v tahu. Ohybovou únosnost desky na jednotku délky lze přepovědět jako p 3 pl, fi l l l m = + L L kde p pl,fi je účinek rovnoměrného zatížení přenášený deskou za požáru, L a l rozpětí desky. Experimenty ukázaly, že se deska při porušení deformuje z velké části v oblasti trhlin. Při návrhu se poměrná deformace omezuje, viz [], uvažováním pouze poloviční hodnoty meze kluzu,,5 f y. Z průhybu w lze za předpokladu deformace desky ve tvaru paraboly stanovit délku oblouku 8 w p 3wp L = c L 1 + +... () 3 L 5 L Pro plochý oblouk lze poměrné přetvoření ve výztuži odhadnout jako (1) 8 w ε = p (3) 3 l w p = ε 3 l / 8 () Ohřev desky zvyšuje její průhyb a tím se snižují membránová napětí w ( θ θ ) l / l 1 l = (5) β h l / l 8 kde l/l je součinitel teplotní roztažnosti, θ teplota spodního povrchu desky, θ 1 teplota horního povrchu desky a h je tloušťka desky. Deska se po ploše nezahřívá rovnoměrně, což se ve výpočtu konzervativně zohledňuje součinitelem β =,. Při návrhu experimentu na ocelobetonovém skeletu byla stanovena ohybová únosnost ocelobetonového nosníku při počátku zahřívání za pokojové teploty jako M fi,d = 375,7 knm, což odpovídá účinku rovnoměrného zatížení p fi,d = 1,6 kn/m. Podle vztahu (1) byla ohybová únosnost desky na jednotku délky, knm/m. Při působícím zatížení se vypočetla deformace desky 7 mm. Průhyb ve středu desky vycházel jako w = w p + w l/l =,8 mm, což odpovídá účinku od rovnoměrného zatížení desky 3,76 kn/m. V 5. minutě experimentu byla vyčerpána únosnost nechráněného ocelobetonového nosníku, zahřátého na 18 C, účinky rovnoměrného zatížení,31 kn/m. Výpočtem se předpokládalo, že k porušení ocelobetonové konstrukce dojde při zatížení 3,76 +,31 =,7 kn/m, viz [5]. Model je
konzervativní, protože kolapsu desky nebylo při působícím zatížení 6,1 kn/m dosaženo. Poloha a tvar trhlin v desce jsou znázorněny na obr. 7, respektive obr. 8. Při experimentu byla zbytková deformace 919 mm ovlivněna i deformací průvlaků. Podle záběru videokamery ve čtvrtém podlaží došlo k porušení celistvosti desky v 5. minutě požáru porušením výztuže a otevřením trhlin v desce v okolí sloupů. Na obr. 7 je patrná shoda předpokládané a skutečné polohy trhliny. Rovnoměrné zatížení, kn/m 1 1 8 6 Únosnost nosníku Účinky zatížení Příspěvek desky 5 1 15 5 3 35 5 Čas, min Obr. 6 Únosnosti nosníku a desky při výpočtu z teploty naměřené v požárním úseku 1 9 8 D E 7 6 1 5 3 1 a b c d e f g h i j k N Obr. 7. Tvar trhlin v ocelobetonové desce po požáru, shoda předpokládáné a skutečné trhliny v desce 5
a) b) Obr. 8 a) Trhlina u sloupu, b) porušení ve středu desky Závěrem Během experimentu se nepodařilo dosáhnout plánovaného místního porušení ocelobetonové desky. Deska byla zatížena 6,1 kn/m a únosnost za požáru se předpokládala,7 kn/m. K porušení celistvosti ocelobetonové desky došlo v 5. minutě požáru. Konstrukce prokázala dobrou konstrukční celistvost. Návrh konstrukce za požáru a porovnání výpočtů s výsledky experimentu jsou shrnuty v publikaci [6]. Experimentem byla potvrzena požární spolehlivost ocelobetonového objektu v Cardingtonu, která vychází z koncepce požárně chráněných tlačených prvků a odolnosti požárně nechráněných ocelobetonových stropů. Oznámení Práce vznikla za podpory výzkumného záměru č. MŠM 68775. M. Chladná F. Wald www.fsv.cvut.cz/~wald Literatura [1] Wald F., Beneš M.: Požární zkoušky v Cardingtonu, Konstrukce 1/, s. 3-3. Wald F., Pašek J.: Zkouška konstrukční celistvosti v Cardingtonu, příprava zkoušky, Wald F., Tichá A.: Teplota plynu při požáru patrové budovy, Konstrukce /5, s.88-9, IN 113-876. [] EN 199-1-: Design of composite steel and concrete structures, General rules, tructural fire design CEN, Brusel. [3] Karpaš J., Zoufal R.: Požární odolnost ocelových a železobetonových konstrukcií, Zabraňujeme škodám, vazek 8. Česká státní pojišťovna, Praha 1989. [] Bailey C. G.: Design of steel structures with composite slabs at the fire limit state, Final Report č. 8115, Building Research Establishment Ltd, Watford. 119 s. [5] Chladná M.: Požiárna odolnosť spriahnutých ocelobetónových stropných konštrukcií, dizertačná práca, TU Bratislava,, s. 153. [6] Wald F. a kol: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT v Praze, s. 336, IBN 8-1-3157-8. 6