Požární zkoušky v Cardingtonu

Požární zkoušky v Cardingtonu K prohloubení poznatků z kolapsu komplexu budov WTC 11. září 2001 byla uskutečněna požární zkouška na osmipodlažní spřažené ocelobetonové konstrukci objektu v Cardingtonu [1]. Zkouška byla, kromě chování ocelobetonové desky, zaměřena na konstrukční celistvost styčníků při mimořádné situaci. Tento příspěvek popisuje unikátní laboratoř na zkoušky na skutečných objektech v Cardingtonu a požární zkoušky na skutečných požárních úsecích. Pokračování se zaměří na popis přípravy, provedení a hlavních poznatků ze zkoušky konstrukční celistvosti a na moderní způsob ochrany ocelových konstrukcí tepelnou izolací tlačených prutů a využitím velké požární odolnosti ocelobetonové desky. 1 Zkoušky na skutečných objektech V posledních letech umožnily výsledky zkoušek s prvky a styčníky a jejich teoretické zobecnění přípravu Evropských návrhových norem na zvýšení požární spolehlivost konstrukcí jejich návrhem. Kromě poznatků ze skutečných požárů je ale experimentální popis chování skutečné konstrukce omezen na několik zkoušek, viz tab. 1. Tab. 1 Shrnutí požárních zkoušek na skutečných objektech, odkazy na literaturu lze nalézt v publikaci [2] Autoři Zaměření zkoušek Pettersson a kol. (1976) Latham a kol. (1985) Witteveen a kol. (1977) Kruppa (1981) Rubert, Schaumann (1986) Cooke, Latham (1987) Genes (1982) Thomas a kol. (1992) Anon (1986) Zkoušky v Cardingtonu, 1993-2003 Teplota plynů v různých požárních úsecích. Příprava analytického modelu popisu požáru. Zkoušky přestupu tepla na nechráněnou ocelovou konstrukci v požárních úsecích velkého rozsahu pro různé průřezy nosníků, požární zatížení, ventilaci a kvalitu povrchů požárního úseku. Popis chování konstrukce za požární situace. Stabilita vyztužených a nevyztužených rámů za vysoké teploty. Popis chování sloupů vně požárního úseku. Zkoušky na požárních úsecích v polovičním a čtvrtinovém měřítku pro ověření kritické teploty ocelových prvků. Poprvé použito požární zatížení ve formě dřevěných hranolů. Ověření zvýšení požární odolnosti vlivem přípojů nosníků a příčlí rámů. Ověření simulace chování na prostorových modelech. Modelování požáru v dvoupodlažním požárním úseku dvacetipodlažní budovy s požárně izolovanými nosníky. Experimenty se sprinklery a s požárně neizolovanými nosníky. Požární úsek z ocelovými a ocelobetonovými konstrukčními prvky. Viz kapitola 2 tohoto článku. Obr. 1 Hangár v Cardingtonu; a) pohlednice z 1925 se zaparkovanými vzducholoděmi; b) pohled na hangár 1

c) Obr. 2 Požární zkoušky na dřevěném objektu a) dřevěný objekt je umístěn v čele haly, b) pohled na fasádu poznamenanou požárními zkouškami, c) zkouška celistvosti schodiště c) Obr. 3 Požární zkoušky na železobetonovém objektu; b) oprýskání betonu až do uvolnění výztuže, c) obnažení výztuže u sloupu Obr. 3 Ocelobetonový osmipodlažní objekt; a) po dokončení montáže v roce 1993, b) přípoje nosníků na sloup 2 Laboratoř v Cardingtonu Laboratoř na zkoušky velkého rozsahu (LBTF) v Cardingtonu je unikátní zkušební prostor o rozměrech 48 m x 65 m x 250 m umístěný v bývalém hangáru pro vzducholodě, viz obr. 1 [3]. V hale je, kromě řady menších experimentálních staveb, šestipodlažní dřevěný, sedmipodlažní železobetonový a osmipodlažní ocelobetonový objekt. Zkoušky na budovách ve skutečném měřítku jsou zaměřeny na poznatky, které na částech konstrukce nelze získat: na spolupůsobení prvků, na konstrukční celistvost při výbuchu, na zkoušky požární spolehlivosti a na problematiku demolice objektů. Na obr. 2a je zobrazen dřevený objekt postavený v čele haly. Fasáda nese známky využití pro požární experimenty obr. 2b. Jednou z řady zkoušek byla i zkouška celistvosti konstrukce schodiště zobrazená na obr. 2c. Na železobetonovém skeletu, viz obr. 3a, byly uskutečněny požární zkoušky desky a sloupu, obr. 3b a 3c. Ocelobetonový skelet byl postaven v roce 1993 jako typická moderní administrativní budova o užitné ploše 945 m 2, viz [4] a obr. 3a. Objekt je vysoký 33 m o půdorysných rozměrech 21 m x 45 m se třemi trakty 6 m + 2

9 m + 6 m o pěti polích rozpětí 9 m. Konstrukce je v obou směrech ztužena diagonálními ztužidly umístěnými kolem tří přístupových svislých šachet, viz půdorys na obr. 4. Ocelové nosníky jsou navrženy z otevřených profilů I jako prostě uložené a jsou spřaženy trny s plechobetonovou deskou o tloušťce 130 mm z profilovaných plechů a betonu s lehkým kamenivem. Přípoje nosníků na průvlaky tvoří desky na stojině. Přípoje na sloupy jsou navrženy pomocí čelních desek, viz obr. 3b. Ocelobetonová stropní deska je vyztužena jednou vrstvou sítě trhlinové výztuže o ploše 142 mm 2 /m v obou směrech. Při návrhu konstrukce se počítalo se stálým zatížením 3,65 kn/m 2 a s užitným zatížením 3,5 kn/m 2. Procento použitého krátkodobého užitného zatížení je pro jednotlivé experimenty shrnuto v tab. 2. Konstrukce byla navržena podle britských norem a ověřena výpočty podle Eurokódu 3 a 4. A B C D E 9000 9000 9000 9000 9000 F 4 6000 3 9000 2 6000 1 Obr. 4 Půdorys typického podlaží ocelového skeletu se schematickým označením umístění požárních experimentů, zkouška ČVUT v Praze je označena Obr. 5 Zatížení konstrukce při zkoušce č. 3 a) mechanické pytli s pískem; b) požární borovými hranoly Tab. 2 Přehled požární experimentů na spřaženém ocelobetonovém objektu v laboratoři v Cardingtonu [5] Zkouška Zaměření experimentu Plocha (m 2 ) Podlaží Požární zatížení Mechanické zatížení, G + %Q 1 Nosník v konstrukci 24 7 plynem 30% 2 Jedné příčná vazba 53 4 plynem 30% 3 Rohový požární úsek 76 2 45 kg/m 2 30% 4 Rohový požární úsek 54 3 45 kg/m 2 30% 5 Rozsáhlý požární úsek 340 3 40 kg/m 2 30% 6 Přirozený požár kanceláře 136 2 46 kg/m 2 30% 7 Konstrukční celistvost 77 3 40 kg/m 2 56% 3 Zkoušky na ocelobetonovém objektu Kromě řady dílčích zkoušek bylo ocelobetonovém objektu uskutečněno sedm velkých požárních experimentů [5]. Mechanické zatížení na konstrukci představovaly pytle s pískem, každý o váze 1100 kg, viz obr. 5a. První experiment byl zaměřen na chování ocelobetonového nosníku (průřezu 305x165xUB40) za vysokých teplot s využitím skutečných okrajových podmínek na konstrukci, viz obr. 6. Při experimentu č. 2 byla teplotou namáhána jedna příčná vazba. Při obou zkouškách se zahřívalo plynovými hořáky na teplotu 900ºC, respektive 800ºC, viz [6]. Zkouška č. 3 byla první zkouškou u níž byl v laboratoři v Cardingtonu simulován přírodní požár. Požární zatížení, 45 kg/m 2, vytvořily dřevěné hranoly, viz obr. 5b. Sloupy a vnější nosníky byly chráněny požárně izolačním nástřikem. Stěny byly vyzděny z tvárnic z lehkého betonu. Čtvrtá zkouška představovala požární úsek o velkosti běžné kanceláře. Bylo použito požární zatížení 40 kg/m 2. Stěny byly tvořeny požárně odolnými sádrokartonovými deskami. Okenní otvory byly vybaveny dvojitým zasklením do hliníkových rámů. Sloupy včetně přípojů byly požárně izolovány. Průběh hoření byl ovlivněn omezením přívodu 3

kyslíku. Pátá zkouška se uskutečnila na dosud největším požárním úseku, který představoval velkoplošnou kancelář o rozměrech 18 m x 21 m. Požárně odolné stěny byly tvořeny sádrokartonovými deskami připevněnými na tenkostěnné ocelové konstrukci. Zkouška byla zaměřena na působení ocelobetonové stropní desky po ztrátě únosnosti podporujících nosníků. Průběh hoření byl ovlivněn nedostatečnou ventilací, viz obr. 7. Pro požární zatížení, 46 kg/m 2, šesté zkoušky bylo navrženo vybavení typické kanceláře: stoly, židle, skříně, papír, počítače obr. 8. Ventilaci umožňovaly nevyplněné okenní a dveřní otvory. Nárůst teploty v požárním úseku byl proto neobvykle rychlý. Výsledky zkoušek jsou shrnuty v tab. 3. Tab. 3 Hlavní charakteristiky experimentů na spřaženém ocelobetonovém objektu Zkouška Organizace Naměření teploty ( C) Deformace (mm) vzduchu oceli největší zbytkové Čas do nejvyšší teploty (min.) 1 British Steel 913 875 232 113 170 2 British Steel 820 800 445 265 125 3 British Steel 1020 950 325 425 75 4 BRE 1000 903 269 160 114 5 BRE - 691 557 481 70 6 British Steel 1150 1060 610-40 7 ČVUT v Praze* 1108 1088 > 1000 925 55 *Zkouška navržená pracovníky Českého vysokého učení technického v Praze uskutečněná ve spolupráci s kolegy z University of Coimbra, Slovenské technické university a British Research Establishment. Obr. 6 Zkouška č. 1; a) komora ohřev plynem; b) zbytková deformace nosníku Obr. 7 Zkouška č. 5; a) požární úsek při požáru; b) zkrácení požárně neizolované části sloupu a ) b) c) Obr. 8 Zkouška č. 6; a) prostorové vzplanutí; b) chladnutí konstrukce c) zbytky kancelářského vybavení po zkoušce Závěrem U zkoušek požární spolehlivosti v Cardingtonu se vycházelo z koncepce, kdy se tlačené prvky (sloupy) chrání tepelně izolačním materiálem, viz [6], a ocelobetonové stropy a ohýbané konstrukční prvky požární se navrhují bez požární ochrany. Zkoušky se potvrdily dobré chování ocelové konstrukce zatížené přirozeným požárem [7]. Hlavní přínos experimentů na skutečných objektech lze spatřovat v popisu rozvoje teploty v požárním úseku a v prvcích a styčnících konstrukce a ve zkoušce ocelobetonové desky za vysokých teplot. 4

F. Wald M. Beneš www.fsv.cvut.cz/~wald Oznámení Autoři děkují za podporu této práce grantem pátého rámcového programu Evropské unie č. HPRI CV 5535 a grantem Grantové agentury České republiky č. 103/04/2100. Literatura [1] Beneš M., Wald F., Sokol Z., Pascu H. E.: Numerical study to structural integrity of multi-story buildings under fire, v Eurosteel 2002, Coimbra, ed. Lamas A., Simões da Silva L., s. 1401-1411, ISBN 972-98376-3-5. [2] Wang Y.C.: Steel and composite structures, Behaviour and design for fire safety, Spon Press, London 2002, ISBN 0-415-24436-6. [3] Moore D.B.: Steel fire tests on a building framed, Building Research Establishment, Paper No. PD220/95, Watford 1995, s. 13. [4] Bravery P.N.R.: Cardington Large Building Test Facility, Construction details for the first building, Building Research Establishment, Internal paper, Watford 1993, s. 158. [5] Lennon T.: Cardington fire tests: Survey of damage to the eight storey building, Building Research Establishment, Paper No127/97, Watford 1997, s. 56. [6] Moore D.B., Lennon T.: Fire engineering design of steel structures, Progress in Structural Engineering and Materials, No.1(1), 1997, s. 4-9. [7] Bailey C.G., Lennon T., Moore D.B.: The behaviour of full-scale steel-framed building subject to compartment fires, The Structural Engineer, Vol.77/No.8, 1999, s. 15-21. 5