ABSTRACT NOSNÍK V KONSTRUKCI ZA POŽÁRU 2 voľné riadky 12 Pt F. Wald 1, A. Uhlíř 2 a M. Štujberová 3 2 voľné riadky 12 Pt 8 voľných riadkov 12 Pt The paper is focussed to the description of the behaviour of a composite beam in structure exposed the compartment fire. The prediction of the compartment temperature allows calculating the behaviour of the beam, which is restrained in the structure mostly by high horizontal rigidity of the composite slab. The beam behaviour is during heating changing into the catenary action. At the end of the experiment was the beam supported by the slab. The point of change of the behaviour quality is the lost of resistance of the lower beam flange which is in compression due to thermal expansion of the beam. The analytical model of the behaviour is evaluated on experimental results on full scale test in Cardington laboratory January 16, 23. 1 ÚVOD Ocelové konstrukce jsou za požáru výrazně hendikepovány dobrou tepelnou vodivostí materiálu, viz [1]. Tradiční ochranou je tepelná izolace konstrukce. Vyšší spolehlivost a ekonomiku návrhu vykazuje dobrý popis chování a z něho vycházející vhodné konstrukční řešení. Při návrhu se postupně počítá teplota v požárním úseku, přestup tepla do konstrukce a chování konstrukce za zvýšené teploty. Požární odolnost nosníku lze zvýšit spřažením s betonovou deskou a vhodným návrhem styčníků. Zatímco chování jednotlivých prvků je dobře popsáno návrhovými modely založenými na experimentech v laboratoři, není skutečné chování prvků v konstrukci na mezním stavu únosnosti při návrhu využito a je předmětem výzkumu, viz [2]. Na ověření zpřesnění popisu chování nosníku v konstrukci je zaměřen tento příspěvek. Chování nosníků, které jsou volně uloženy, je ovlivněno pouze nerovnoměrným ohříváním průřezu a nosníku po jeho délce. Nerovnoměrné ohřátí po délce nosník nedeformuje a na volně uložený nosník nemá vliv. Nerovnoměrné ohřátí průřezu po výšce způsobuje jeho příčnou deformaci a nerovnoměrnou degradaci materiálových vlastností. Velkou tepelnou 1 Prof. ing. CSc. - České vysoké učení technické v Praze, Thákurova 7, CZ 166 29 Praha 2 Ing. - České vysoké učení technické v Praze, Thákurova 7, CZ 166 29 Praha 3 Ing. PhD. - Slovenská technická univerzita Bratislava, Radlinského 11, SL 813 68 Bratislava
vodivosti oceli není vliv nerovnoměrné ohřátí průřezu pro prostě uložený nosník výrazný. Při výpočtu nosníku za požáru se používá zjednodušeného posouzení momentové a případně smykové únosnosti průřezu, který zahrnuje redukci materiálových vlastností vlivem teploty. Zpřesněné výpočtové modely, které zahrnují více jevů, jsou využívány omezeně, jak pro nedostatek poznatků tak pro náročnost simulace při použití MKP se stěnodeskovými a prutovými prvky. Zpřesnění, které umožní popis chování při kolapsu nosníku, by mělo zahrnout změnu poměru tuhosti nosníků a styčníků, vybočení tlačené pásnice nosníku u podpor nosníku a chování nosníku jako taženého vlákna, viz [3]. Nosník F F Deformace Svislá deformace Vodorovná deformace δh δ v Ohybové momenty M M h s Momenty Moment v poli Moment v podpoře Osová síla Ztráta ohybové tuhosti Počátek působení jako vlákno Ztráta stability pásnice Obr. 1 Popis chování nosníku v konstrukci při zahřívání, viz [2] 2 EXPERIMENT Pro ověření chování nosníků v konstrukci bylo provedeno několik experimentů na skutečných konstrukcích v hale v Cardingtonu, viz [4]. Při sedmé zkoušce velkého rozsahu byl v ocelobetonovém skeletu vytvořen požární úseku o rozměrech 11 x 7 m a výšce 4 m. Požární zatížení 4 kg m -2 tvořily hranice dřeva. Mechanické zatížení vyvozovaly pytle s pískem, nahodilé 3,5 kn/m 2 a stále 3,5 kn/m 2. Požáru byly vystaveny tři spřažené ocelové nosníky průřezu UB 356x171x56, s betonovou deskou tloušťky 7 mm a dva průvlaky, připojené pomocí čelní desky na sloup UC 35x35x198. Této práce je zaměřena na popis chování nosníku 2D-2E délky 9 m, viz obr. 2, který byl na sloup připojen krátkou čelní deskou tloušťky 8 mm pomocí 6 šroubů M2 8.8. Teplota plynu při zkoušce vzrostla z 17,6 C během 15 min na 4 C. Průběh napětí v nosníku je zaznamenán tenzometry pro vysoké teploty. Poměrné deformace jsou přepočítány na napětí s využitím redukce modulu pružnosti podle [5] při teplotě, která byla změřena na termočlánku poblíž tenzometru.v 16 min se vlivem protažení od teploty dovřela mezera mezi dolní pásnicí
nosníku a sloupem, viz tenzometr HT 9. Po dovření mezery začala narůstat napětí v pásnici nosníku a vlivem roztažení a teplotní degradace materiálu od 17 min místně vybočovala pásnice nosníku u styčníku. Teplota přípoje byla asi 82 C. Napětí v dolní pásnici dosáhlo meze kluzu, 396 MPa. Na obrázku je znázorněna změna účinné meze kluzu, která vyjadřuje plastifikaci při poměrné deformaci 2%. Tenzometr HT 11 dokumentuje nárůst tlaku a porušení stojiny nosníku ve smyku v asi 24 min experimentu. 4 3 2 Napětí, MPa Účinná mez kluzu (2 %) Tenzometr HT 21 Řez A-A Řez B-B Řez C-C C461 C462 HT 9 HT 11 C488 HT 21 E2 C475 - -2-3 -4 - -2-3 -4 Tenzometr HT 9 Výpočet, dolní pásnice Výpočet, střed nosníku Napětí, MPa 15 3 45 6 Tenzometr HT 11 2 4 Výpočet, dolní pásnice 6 Výpočet, střed nosníku Účinná mez kluzu (2 %) Vypočtená ztráta stability pásnice Tenzometr HT 21 Tenzometr HT 9 B-B 8 Tenzometr HT 11 75 Čas, min. A-A E2 C-C Požární úsek S D1 E1 Okno požárního úseku Účinná mez kluzu, (2%) Teplota v daném místě, C Obr. 2 Porovnání předpovědi napětí na konci nosníku s měřeními při experimentu [4] Největší změřená svislá deformace nosníku byla 674 mm, viz obr. 3. Trvalé svislé deformace nosníku dosáhly 537,4 mm. Po ztrátě stability dolní pásnice začal nosník působit jako tažené vlákno. Únosnost přípoje čelní deskou v tahu 171 kn by byla při experimentu vyčerpána v asi ve 32 min při teplotě dolní pásnice nosníku 755 C a dále byla přenášena spřahujícími prvky. Čelní desky se porušila v tahu na jedné straně přípoje v tepelně ovlivněné části plechu pravděpodobně až při chladnutí konstrukce. Vypočtená únosnost ocelobetonového nosníku v ohybu M fi,d = 375,7 knm byla vyčerpána asi v 33 min při teplotě nosníku 774 C. Únosnost nosníku v tahu 397 kn, by byla při zvyšování teploty vyčerpána asi v 44 min při teplotě dolní pásnice nosníku 888 C. Ke zřícení konstrukce nedošlo, protože zatížení bylo dále přenášeno ocelobetonovou deskou a nosníkem při velkých průhybech konstrukce, viz [7].
Předpokládaný vliv deformace nosníku od nerovnoměrného ohřátí dokumentuje málo výrazný vliv na chování daný velkou tepelnou vodivost oceli. - -2-3 -4-5 -6-7 Deformace, mm Deformace ve středu nosníku od nerovnoměrného zahřítí 15 3 45 6 75 9 15 12 Deformace ve středu nosníku vypočtená ze změřené teploty nosníku Změřená deformace ve středu nosníku, C22 Předpokládaná ztráta stability pásnice Čas, min Požární úsek D1 S E1 Deformace ve středu nosníku Okno požárního úseku vypočtená z předpověděné teploty plynu C486 C487 Řez A-A C488 -E2 A-A C22 Obr. 3 Porovnání předpovědi průhybu nosníku E2 při experimentu [4] E2 a) b) Obr. 4 Experiment v Cardingtonu 16. ledna 23, a) velká deformace vyšetřovaného nosníku E2; b) ztráta stability dolní pásnice [4] 3 MÍSTNÍ BOULENÍ TLAČENÉ PÁSNICE Při návrhu za běžné teploty se předpokládá [6], že výslednice návrhové únosnosti pásnice nosníku a přilehlé tlačené části stojiny v tlaku působí v úrovni středu tlaku. Návrhová únosnost pásnice a stojiny nosníku se stanoví pomocí výrazu F c,fb = M c / ( h t fb ) = W i f y / ( h t fb ) (1) M c,rd návrhová momentová únosnost průřezu nosníku, která se v případě potřeby redukuje vlivem smyku, t fb tloušťka pásnice připojovaného nosníku, W i průřezový modul (pro průřezy třídy 1 a 2 se použije plastický W pl ; pro průřezy třídy 3 se použije pružný W el,min a pro průřezy
třídy 4 efektivní W eff,min ) f y je mez kluzu oceli a γ M dílčí součinitel spolehlivosti. Za zvýšené teploty při požáru je únosnost tlačené pásnice F c,fb,θ,rd = W i k θ,y f y / ( h t fb ) (2) kde k θ,y je redukční součinitel účinné meze kluzu. Pro pásnici průřezu třídy 4 se uvažuje s redukčním součinitelem smluvní meze kluzu k,2p,θ. Pokles napětí v pásnici při experimentu zachyceno na obr. 2 ukazuje na dobrou předpověď počátku místní ztráty stability pásnice. Výsledná tvar porušení na je zachycen obr. 4. Při výpočtu bylo použito přibližného odhadu redukčního součinitele modulu pružnosti oceli k θa B E = [ A( + e C )] 1 - D θ 1 (3) s konstantami A = 1,436; B = 462; C = 12,37; D = 1,4367 a redukčního součinitele návrhové meze kluzu k p,2,θ (pro poměrné protažení,2 %) s konstantami A =,9785; B = 458; C = 126; D = 1,1331. 4 SHRNUTÍ Zkouška v Cardingtonu prokázala, že vodorovné konstrukce nemusí být požárně chráněny. Při návrhu ocelového a ocelobetonového nosníku lze, tam kde lze připustit velké deformace nosníku, uvažovat při stanovení únosnosti s působením nosníku jako tažené vlákno. Počítat lze MKP, ale i prutovou analogií, viz [2]. Vodorovné síly se do konstrukce přenášejí styčníky nebo spřahovacími prvky. Výrazným bodem na pracovním diagramu nosníku je ztráta únosnosti dolní pásnice, kterou lze při návrhu vhodně popsat metodou komponent. Pro únosnost ocelobetonového stropu je rozhodující požární odolnost ocelobetonové desky. OZNÁMENÍ Příspěvek vznikl při práci na projektu č. 13/4/2 Grantové agentury České republiky. LITERATURA [1] Wald F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, České vysoké učení technické v Praze, Praha 25, 336 s., ISBN 8-13157-8. [2] Yin Y.Z., Wang Y.C.: A numerical study of large deflection behaviour of restrained steel beams at elevated temperatures, Journal of Constructional Steel Research, č. 6, r. 24, s. 129 147. [3] Proe D., Bennetts I., Thomas I: Testing and analyses of catenary action in npretected steel beams subject to fire, v Proceedings SIF 6, s. 161 174, ISBN 972-789-19-X. [4] Wald F., Chladná M., Moore D.B., Santiago A., Lennon T.: Temperature distribution in a full-scale steel framed building subject to a natural fire, Steel and Composite Structures, r. 6, č. 2, s. 159-182, ISSN 1229-9367. [5] ČSN EN 1993-1-2: 25, Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 26, 78 s. [6] Jaspart, J. P. : Etude de la semi-rigidité des noeuds poutre-colonne et son influence sur la résistance et la stabilité des ossatures en acier. Ph.D. Thesis, Department MSM, University of Liège 1991. [7] Chladná M.: Požiarna odolnosť spriahnutých ocelobetonových stropných konštrukcií, Slovenská technická univerzita, dizertačná práca, Bratislava 24, s.154.