Měření poměrných deformací při požární zkoušce v Mokrsku

Měření poměrných deformací při požární zkoušce v Mokrsku Shrnutí Příspěvek shrnuje cíle požární zkoušky na skutečném objektu. V práci je ukázáno zvolené konstrukční řešení, mechanické a požární zatížení a některé hlavní změřené hodnoty teplot plynu a konstrukce. Podrobně je probráno vyhodnocení poměrných deformací z měření tenzometry pro vysoké teploty. Úvod Požární zkouška, která se pod vedením pracovníků katedry ocelových a dřevěných konstrukcí fakulty stavební ČVUT v Praze uskutečnila 18. září 28 v Mokrsku v okrese Příbram, byla zaměřena na zpřesnění popisu chování prvků a spojů v konstrukci při požáru, viz obr. 1. Při požáru byly měřeny teploty, celkové i poměrné deformace, tlaky par, vlhkost, sálání z konstrukce na konstrukci uvnitř požárního úseku i na ocelovou konstrukci vně před okenním otvorem, prostup teploty a plynů pláštěm a klimatické podmínky při zkoušce. Podrobnosti lze nalézt na webové stránce projektu [1]. Chování bylo zdokumentováno fotografiemi, videozáznamy a záznamy z termokamer. Pro zkoušku byl v areálu výukového střediska ČVUT Štola Josef postaven nový objekt, který zohledňoval předpokládaný vývoj stavebních technologií. Zkouška tematicky navázala na deset velkých požárních experimentů, které se uskutečnily na skutečných budovách s ocelovou, betonovou a dřevěnou nosnou konstrukcí v Cardingtonu ve Velké Británii v letech 1998 až 23, viz [2] a [3]. Zkušební objekt představoval část jednoho podlaží administrativní budovy o rozměrech 18 x 12 m, obr. 2. Ocelobetonová deska nad prolamovanými nosníky byla navržena na rozpětí 9 x 12 m a nad nosníky s vlnitou stojinou na rozpětí 9 x 6 m, viz obr. 3. Dvě obvodové stěny byly tvořeny skládanými plášti s nosnými kazetami, minerální vlnou a vnějšími trapézovými plechy. Ve dvou 6 m polích bylo porovnáno chování dvou systémů skládaného pláště s nosným meziroštem a vodorovným plechem a svislým vnějším plechem bez roštu. Na dvě stěny byly navrženy sendvičové panely tloušťky 15 mm vyplněné minerální vlnou. Na jedné stěně byly panely uloženy ve vodorovném a na druhé ve svislém směru. Na části betonové stěny byla zevnitř přizděna stěna ze sádrových tvárnic. Obr. 1 Pohled na požární zkoušku

N 3 2 Skládaný plášť 1 A 9 B 9 C Okenní Okenní otvor otvor AS7 AS6 AS5 AS4 AS3 AS2 AS1 Ocelobetonová deska Prolamované nosníky Sendvičové panely Ocelobetonová CS4 deska CS3 Nosníky s vlnitou stojinoucs2 Duté předepnuté panely Betonová stěna CS1 S5 S4 S3 S2 S1 +4, +, Ocelobetonová deska Prolamované nosníky Ocelobetonová deska Nosníky s vlnitou stojinou Obr. 2 Schéma konstrukce pro požární zkoušku na experimentálním objektu s označením nosníků Obr. 3 Z výstavby zkušebního objektu a jejím ostrojení termočlánky Mechanické zatížení Mechanické zatížení bylo navrženo pro běžnou administrativní budovu, ve které se proměnné zatížení pohybuje v rozmezí 2,5 až 3,5 kn/m 2. Vlastní tíha zkoušené ocelobetonové konstrukce dosáhla 2,6 kn/m 2. Při zkoušce bylo proměnné zatížení vyvozeno 78 pytli se štěrkem, každý o průměrné hmotnosti 9 kg, v rozmezí 793 kg až 187 kg, viz obr. 4. Pytle byly umístěny na stropní desce na paletách. Hmotnost pytlů byla ověřena vážením kalibrovaným tenzometrickým můstkem při jejich ukládání. Pytle byly ve skupinách rozloženy tak, aby se dosáhlo rovnoměrného zatížení. Při mezním stavu na mezi únosnosti za

běžné teploty by zatížení odpovídalo proměnnému zatížení 3, kn/m 2 a zatížení podlahami a příčkami 1, kn/m 2 v charakteristických hodnotách, viz obr 5. Obr. 4 Mechanické zatížení na zkušením objektu N A B 9 9 C 3 9.44 9.64 9.15 9.58 9.67 9.27 9.98 8.98 1.37 8.87 8.67 1.87 8.57 9.55 9.66 9.18 9.32 9.64 9.21 9.84 9.32 9.72 8.58 9.37 1.48 7.95 2 1 9.47 9.66 9.37 8.53 1.26 8.75 9.67 8.93 9.3 9.5 8.45 1.15 8.73 9.47 9.76 9.42 8.95 1.26 8.95 9.3 9.36 1.15 7.93 9.26 9.7 8.1 9.65 9.45 8.72 8.95 9.97 9.25 9.5 9.37 9.35 1.43 8.24 8.36 9.55 9.22 9. 8.57 9.6 9.39 8.82 9.78 9.7 9.36 1.3 9.19 8.55 8.73 +4, +, Obr. 5 Mechanické zatížení pytli se štěrkem s označením jejich hmotnosti Požární zatížení Požární zatížení administrativní budovy se pro požární zkoušky konstrukcí simuluje nehoblovanými latěmi rozměrů 5 x 5 x 1 mm z měkkého dřeva. Na půdorysné ploše požárního úseku bylo rovnoměrně rozmístěno 5 hranic o objemu dřevní hmoty 15 m 3. Každá hranice obsahovala 12 řad po 1 latích, celkem 12 latí, tj. asi 35,5 kg/m 2 dřeva, viz obr. 6 a 7. Při návrhu administrativní budovy se uvažuje s charakteristickou hodnotou požárního zatížení 42 MJ/m 2. Navržené množství paliva tak přesáhlo o asi 5 % charakteristické požární zatížení. Ve třetí vrstvě latí byly dřevěné hranice vzájemně provázány tenkostěnným profilem tvaru U, který byl pro rychlé rozhoření paliva při zapálení vyplněn minerální vlnou a napuštěn petrolejem. Při dosažení teploty plynu 5 C označil velitel zkoušky akusticky její

počátek. Okenní otvory bez skleněné výplně velikosti, která odpovídá moderní podlažní budově, zajistily ventilaci požárního úseku. Parapet byl navržen výšky 1 m a okna výšky 2,54 m s celkovou délkou 8, m s koeficientem otvorů O =,64 m 1/2. N A B C 9 9 3 2 1 Hranice smrkových hranolů 5x5-1 +4, +, Okenní otvor Okenní otvor Obr. 6 Požární zatížení hranicemi hranolů 5x5x-1 Obr. 7 Požární zatížení vyvozovalo 15 m 3 hranolů z měkkého řeziva Teploty plynu Teplota plynu byla měřena plášťovými termočlánky o průměru 3 mm, které byly osazeny v úrovni dolních pásnic prolamovaných nosníků ve vzdálenosti 5 mm od stropní desky. Na obr. 9 je graf změřených hodnot teploty plynů a jejich průměrná teplota. Nejvyšší teplota plynu pod prolamovanými nosníky dosáhla 926 C v 52. Minutě. Z obrázků je patrné, že nejvyšší teploty byly naměřeny uprostřed požárního úseku, tj. na termočláncích TG4, TG5, TG8 a TG9. Pro využití výsledků zkoušky pro zpřesnění pokročilých výpočtových modelů byla měřena i hustota toku tepla. V úrovni dolní pásnice nosníku AS2 byly ve středu pole a u

styčníku ve směru od pásnice osazeny terčové radiometry. Měření zajišťovali kolegové TUPO Praha pod vedením ing. Dvořáka. Obr. 1 dokumentuje výrazný rozdíl v ostávání středu a konce nosníku i velký podíl odražené složky sálání na konstrukci. 11 1 Teplota, C TG9 TG8 TG1 9 TG9 8 TG8 7 6 5 TG1 TG7 Průměr z TG7,TG8,TG9,TG1 4 3 TG7 2 1 15 3 45 6 75 Čas, min Obr. 9 Změřená teplota plynů při požární zkoušce pod stropní konstrukcí s prolamovanými nosníky 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Hustota tepelného toku, kw/m 2 Q3 Q4 Q2 Q1 15 3 45 6 75 Čas, min Obr. 1 Hustota toku tepla naměřená pomocí radiometru pod prolamovanými nosníky v zadní části požárního úseku, měření ing. Dvořák, TUPO Praha Q1 Q2 Q3 Q4 Teploty nosníků Nechráněné prolamované nosníky dosáhly ve 23. min asi 48 C při průhybu 135 mm, viz obr. 11. Jejich únosnost se začala redukovat, průhyb dosáhl 135 mm. Ve 34. min požáru měly nosníky již teplotu 77 C, které odpovídá únosnost asi 1 % únosnosti za běžné teploty a průhyb 378 mm. K porušení ocelobetonové desky došlo v 62. min požáru na počátku fáze

chladnutí při změřené teplotě nosníků 895 C. V té době byla deska namáhána na asi 167 % únosnosti stanovené podle zjednodušeného návrhového modelu pro dané mechanické a požární zatížení na 3,49 kn/m 2. Při požární zkoušce se velmi výrazně projevilo otryskávaní betonové stěny, viz obr. 12. Po zkoušce dosáhl úbytek stěny 65 mm, viz obr. 13. 1 8 6 Teploty dolních pásnic nosníků, C AS2 AS6 TCi 4 2 AS4 AS5 N AS6 AS5 AS4 AS2 15 3 45 Čas, min Obr. 11 Teplota dolních pásnic ve středu prolamovaných nosníků AS2 až AS6 Obr. 12 Otryskávaní betonové stěny při požáru Obr. 13 Stěny a sloup s odhalenou výztuží Napětí v nosnících Ocelové požárně nechráněné spřažené prolamované nosníky a požárně nechráněné spřažené nosníky s vlnitou stojinou byly osazeny tenzometry do vysokých teplot. Byly použity sendvičové tenzometry se dvěma keramickými plášťovými vrstvami, které umožňují vyhodnocovat poměrná přetvoření do 115 C. Vrstvy se nanášejí přímo na očištěnou konstrukci a před zkouškou trvala příprava měření čtrnáct dní. Na nosnících s vlnitou stojnou byly po výšce nosníku umístěny tři tenzometry pro měření smykových napětí. Ze změřených poměrných deformací se napětí za zvýšené teplotě σ θ stanoví z předpokladu známé změny

modulu pružnosti oceli při teplotě E a,θ = k Eθ E pro teploty, které byly změřeny termočlánky poblíž tenzometrů, ze vztahu σ θ = min (k E,θ E ε θ ; k y,θ f y ) (1) kde k E,θ je součinitel redukce modulu pružnosti, viz [4], E modul pružnosti oceli za běžné teploty k y,θ redukční součinitel meze kluzu a f y mez kluzu oceli za běžné teploty. Dva tenzometry byly instalovány na stojině prolamovaného nosníku, viz obr. 14. Vyhodnocení pro rozvoje napjatosti při zatěžování nosníku na obr. 15 ukazuje, že plastifikace stěny prolamovaného nosníku u podpory bylo dosaženo v osmé minutě zkoušky. Postup vyhodnocení je doložen v Tab. 1. Stojina nosníku s vlnitou stojinou se plastizovala v patnácté minutě experimentu, viz obr. 16. Obr. 17 dokumentuje, že k plastifikaci vlnité stojiny došlo po celou dobu její vystavení požáru. Jak se vidět i na nosníku po požární zkoušce. Obr. 14 Umístění tenzometrů a termočlánků na stojině prolamovaného nosníku Napětí, MPa 3 2 1 Poměrná mez kluzu Čas, min 165 TC46 65 SG6 SG5 165 TC48 15 3 45 6-1 Tenzometr SG6 13-2 Tenzometr SG5-3 Poměrná mez kluzu -4 Obr. 15 Průběh napětí na stojině prolamovaného nosníku Tab. 1 Vyhodnocení napětí z měření poměrných deformací na stojině prolamovaného nosníku Termočlánek TC48 Tenzometr SG5 Termočlánek TC46 Tenzometr SG6 Čas Teplota Protažení E θ Napětí Teplota Protažení E θ Napětí min C µε 1-3 MPa MPa C µε 1-3 MPa MPa 12, 21 11, 21

5 35 -,9 21-19 31 -,55 21-115 1 114-4,687 27165-355 18-9,45 28341-355 15 215 -,45 185892-8 214,276 186123 51 2 31 1,62 165816 266 31 -,99 165942-16 25 47 1,31 132342 173 453 1,244 135786 169 3 595 1,61 6826 72 561 1,546 88729 137 35 685 32, 3346 95 633 1,863 52588 98 4 755 32, 22646 58 687 1,995 32327 64 45 - - - - 73 1,741 24814 43 5 - - - - 783,87 232 16 55 - - - - 769,416 21546 9 6 - - - - 759,688 22386 15 Napětí, MPa Poměrná mez kluzu 25 Tenzometr SG2 2 15 1 5-5 -1 Tenzometr SG3 Čas, min 15 3 45 6 45 25 25 45 SG1 SG2 SG3 6 12 TC84 TC81 TC82-15 Tenzometr SG1-2 -25 Poměrná mez kluzu Obr. 16 Průběh napětí na stojině nosníku s vlnitou stojinou Obr. 18 Stojina prolamovaného nosníku po zkoušce Shrnutí

Porušení stropu experimentálního objektu nastalo plánovaným prolomením ocelobetonové desky v pravém zadním rohu po ztrátě její únosnosti v tlaku v 62. min experimentu, viz obr. 19. Pro dosažení porušení bylo při návrhu experimentu zvoleno vyšší mechanické zatížení, asi 16 % zatížení běžné administrativní budovy, a požární zatížení, asi 15 % zatížení předpokládané pro administrativní budovy. Přesto autory zkoušky překvapila přesnost předpovědi, kdy výpočtem stanovená požární odolnost ocelobetonové desky pro toto zatížení, 6 min, byla překročena pouze o 1 min. Obr. 19 Pohled na konstrukci po porušení ocelobetonové desky Požární zkouška prokázala, že chování konstrukce vystavené požáru jako celku lze vhodným návrhem využít a zvýšit požární spolehlivost i ekonomii řešení. Podařilo se prokázat požární odolnost použitých konstrukčních částí a pláště R6. Na vyhodnocení jednotlivých poznatků se pracuje. Po jejich ověření experimenty s dílčími prvky a rozšíření jejich platnosti numerickou simulací umožní výsledky přípravu podkladů pro evropské návrhové normy mj. v oblasti chování ocelobetonové desky, chování styčníků a plášťů budov při vystavení zvýšeným teplotám při požáru. Oznámení Tato práce byla vypracována s podporou výzkumného centra MŠMT CIDEAS č. 1M579 a grantem Metoda komponent pro navrhování styčníků za zvýšené teploty GAČR13-7-1142. V článku byly použity fotografie Khalila Baalbaki z Českého rozhlasu Online. Literatura [1] Kallerová P. a Wald F., Výzkumná zpráva z požární zkoušky na experimentálním objektu v Mokrsku, ČVUT v Praze, http://fire.fsv.cvut.cz/firetest_mokrsko. [2] Wald, F., Simões da Silva, L., Moore, D.B., Lennon, T., Chladná, M., Santiago, A., Beneš, M. and Borges, L., Experimental behaviour of a steel structure under natural fire, Fire Safety Journal 26, Volume 41, Issue 7, s. 59-522. [3] Kirby, B. R. et al., Natural fires in large scale fire compartments, BST, FRS, 1994. [4] Wald F. a kol., Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT, Praha 25, 336 s., ISBN 8-1-3157-8. František Wald, Petra Kallerová, Michal Strejček ČVUT v Praze