Kde nás najdete? Zakázkové oddělení: 499 320 459, technická kancelář: 608 075 005, 281 017 369
Kde chybí prevence,
hasiči nepomohou!
34
LET

Příspěvek k požární odolnosti dílců Spiroll

Publikováno dne 4. 11. 2009

Autor: Ing. Miroslav Baloušek, Goldbeck Prefabeton s.r.o.
tel.: 322301223
E-mail: miroslav.balousek@kutnahora.goldbeckbau.com

Souhrn

Článek uvádí možnosti stanovení požární odolnosti dílců Spiroll navržených v soustavě ČSN podle současně platných norem v ČR. Pozornost je věnována především výpočtům a specifikům dílců Spiroll. Upozorňuje se na nově stanovené požární odolnosti dílců Spiroll typové řady SPI a SPW. Závěr přesahuje problematiku dílců Spiroll a týká se obecně stanovení požární odolnosti nosných konstrukcí a rolí statika při jejím stanovení.

Klíčová slova: požární odolnost, dílce Spiroll, výpočty, stav normalizace

1. Popis dílců Spiroll

Stropní a střešní dílce Spiroll v Goldbeckbau Prefabeton s.r.o. se vyrábějí na dlouhé dráze pomocí tvářecího stroje, který vytváří obdélníkový průřez vylehčený podélnými dutinami. Dílce mají výšku 200, 250 a 300 mm a skladebnou šířku 1200 mm. Výrobní šířka dílců je v dolní části 1195 mm a směrem k hornímu povrchu se dílce zužují na 1160 mm. Dílce Spiroll mají dle výšky různý počet vylehčovacích dutin přibližně kruhového průřezu. Dílce jsou vyztuženy z technologických důvodů pouze podélnými předpínacími lany f12,5 a jsou navrženy dle ČSN 731201/86-2 jako prosté nosníky v běžném prostředí. Dílce nemají žádnou příčnou výztuž. Beton dílců je B55 (B40). Pro jiné osazení než jako prosté nosníky musí být vždy jednotlivě posouzeny. Jednotlivé typy se liší počtem dolních nosných lan a i eventuelně počtem horních lan, přičemž krytí dolních lan na osu výztuže je 40 mm, technologie výroby a skutečná kvalita betonu je pro všechny dílce shodná. Rovněž předpínací síla dolních (horních) lan je shodná. Dílce se dále liší délkou dle požadavku zákazníka. Technické vlastnosti dílců SPI a SPW jsou na základě schválených typových podkladech deklarovány v podnikových normách výrobce. Dílce jsou obdobné ve smyslu článku 35a v /1/.

2. Požární zkoušky dílců Spiroll

Zkoušky dílců se provádějí s větší či menší pravidelností již od roku 1971. Novodobé požární zkoušky dílců Spiroll se datují se zkouškami v nové peci ve Veselí nad Lužnicí počínaje rokem 1996. Zkušební zařízení z roku 1989 umožňuje sledování exponovaného povrchu při zkoušce, což je důležité pro sledování chování dílců při zkoušce. Zkoušky před rokem 1986 se vyznačují značným rozptylem výsledků, přičemž zpravidla chybí dostatečné podklady pro vysvětlení příčin těchto rozptylů. Zkoušky prováděné v roce 1999 se snaží oproti starším zkouškám více přiblížit podmínkám v zabudovaném stavu, přičemž je nutné si uvědomit, že skutečné podmínky nelze při zkoušce simulovat (např. příčné pnutí ve stropní konstrukci) a výsledky zkoušek samostatných dílců jsou zřejmě na straně bezpečnosti, popřípadě že skutečné namáhání dílců je trochu jiné než při zkoušce. Vyhodnocení autorovi známých zkoušek je shrnuto v /14/.

3. Chování dílců při zkouškách

Během zkoušek vznikají v ose dutin při spodním a horním povrchu dílců podélné trhliny. Nejprve se objeví dvě až tři krátké trhliny při spodním povrchu nad podpěrami. Tam není beton tak ohříván jako mimo podpěry. a pro toto rozdílné ohřátí vzniká pnutí vedoucí k trhlinám. Vznikem těchto trhlin se pnutí oslabí a rozvoj trhlin v ose dutin při spodním povrchu se téměř zastaví. Při dalším zvyšování teploty je příčné roztažení spodní desky výrazně vyšší než horní desky přičemž žebra působí jako pevné spojení obou desek navzájem. V horní desce vzniká v důsledku tohoto pnutí tah. V důsledku tohoto vznikají při horním povrchu v osách dutin dvě až čtyři podélné trhliny, které se rozvíjejí od podpěr postupně po celé délce dílce. I přes absenci rozdělovací výztuže nevedl rozvoj těchto trhlin u novodobých zkoušek ke ztrátě celistvosti. Šířka těchto trhlin se pohybuje od nuly až několik milimetrů. Z naměřených hodnot v dutinách dílců při zkoušce vyplývá, že vznik trhlin v dolní desce nevede k dramatickému nárůstu teploty v dutině.

Zhruba ve dvacáté minutě zkoušky dochází k vysoušení dílce. To se projevuje především únikem vody a vodních par podél předpínacích lan v čele dílce. Přetlak vodní páry spolu s příčným pnutím konstrukce ( při zkoušce příčné pnutí nelze nasimulovat ) by mohl vést při exponovaném povrchu k odprýskávání betonu. U dílců s ustálenou vlhkostí (cca. 3%) při zkouškách k odprýskávání nedochází. S postupujícím nárůstem teploty vlivem snížené pevnosti betonu v tahu při spodním povrchu dochází ke zvětšení kotevní délky předpínací výztuže. To se projevuje plynulým nárůstem pokluzů přepínacích lan v čele dílce až na hodnotu 5 mm. S dobou zkoušky roste průhyb dílce. To je způsobeno jednak gradientem teploty po výšce průřezu, změnou tuhosti dílce vlivem zmenšení E-modulu ohřátého betonu při exponovaném povrchu a postupným poklesem předpětí, způsobeným jednak rozdílnou tepelnou roztažností betonu a výztuže při vyšších teplotách a vlastní relaxací ohřáté výztuže. Pevnost výztuže při zvyšující teplotě se postupně snižuje. Při snížení pevnosti výztuže rovnajícímu se namáhání výztuže dochází k jejímu plastickému stavu, který se projeví náhlým zvýšením rychlosti přírůstků průhybů a dalším rozvojem trhlin při spodním líci. U dílců s kruhovými dutinami nebylo u zkoušek zaznamenáno smykové porušení a ani se neobjevily trhliny, které by blízkost tohoto porušení avizovaly.K překročení mezních teplot na neohřívaném povrchu a ztrátě celistvosti při zkouškách nedochází.

4. Chování dílců při reálném požáru

Z literatury /18/ je znám požár průmyslového skeletu v době výstavby. Na dílce Spiroll byla provedena nadbetonávka vyztužená betonářskou výztuží. Zdrojem požáru byl uskladněný polystyren. Požár byl zlikvidován po dvou hodinách a byl hašen vodou. Během požáru veškerý polystyren shořel. Po požáru bylo zjištěno následné poškození některých dílců Spiroll: mozaiková síť drobných povrchových trhlin, podélné trhliny široké až 0,3 mm v osách dutin, drobná odprýsknutí betonu hluboká až 10 mm a plošná odprýsknutí betonové vrstvy hluboká až 25 mm, takže se předpínací výztuž obnažila. Plošné odprýsknutí betonu bylo způsobeno přemáháním podélným tlakem od předpětí ( malé zatížení dílců v době požáru), příčným tlakem od vnitřního pnutí a přetlaku páry ( pravděpodobně vyšší vlhkost dílců vzhledem k požáru v době výstavby). Po požáru byly nejvíce poškozené dílce vyjmuty a nahraženy novými, tři z nich byly podrobeny zatěžovacím zkouškám do porušení. Při těchto zkouškách se dosáhlo stupně bezpečnosti s=1,9, 2,4 a 2,6. Vznik příčných ohybových trhlin byl dosažen při s=1,4 oproti s=1,8 u nepoškozeného dílce. Protože nebyly známy podmínky hašení nebylo možné určit intenzitu požáru a definovat teplotní zatížení konstrukce.

5. Stanovení požární odolnosti

Podle ČSN 73 0851 se požární odolnost určuje průkaznou zkouškou v minutách při normové křivce rozvoje požáru a plném provozním zatížení dílců. Při zkoušce se sleduje překročení některého z definovaných mezních stavů, které jsou ztráta stability konstrukce, dosažení mezního průhybu, dosažení mezní rychlosti přírůstku průhybu, překročení mezních teplot na neohřívaném povrchu a ztráta celistvosti. Norma neumožňuje stanovení požární odolnosti hromadně vyráběných dílců výpočtem.

Dle ČSN 73 0821 /2/ či dle Aktual bulletinu č. 9 /17/ lze stanovit požární odolnost dílců Spiroll dle tabulek. Zde však vychází požární odolnost vzhledem k ustanovení pro dutinové dílce velmi nízká (30 minut). Toto je zřejmě důsledkem rozptylu kvality dílců a následně rozptylu výsledků zkoušek před rokem 1973. Výsledky zkoušek se zveřejněné v Aktual bulletinu mají omezenou časovou platnost (většinou jsou již prošlé) a prakticky je již pro stanovení požární odolnosti nelze použít.

ČSN P ENV 19992-1-2 umožňuje stanovení požární odolnosti výpočtem na základě materiálových charakteristik ovlivněných zvýšenou teplotou a na rozdíl od ČSN 73 0851 zrovnoprávňuje výpočty a zkoušky. Norma se vztahuje na konstrukce navržené v soustavě EN, proto ji nelze přímo aplikovat na dílce navržené dle soustavy ČSN. Obecné vztahy a principy uvedené v této normě představují ale současný stav technického poznání. Norma definuje 3 kritéria požární odolnosti: R – mechanická odolnost, I – izolační schopnost, překročení zápalné teploty na odvráceném povrchu a E – celistvost, pronikání kouře či plamene. Požadavek na omezení průhybu, vycházející z kritéria R je omezen na rozdíl od ČSN 73 0851 pouze na robustní konstrukce. Pro dílce Spiroll není tudíž omezení průhybu kritériem požární odolnosti (viz. Final draft prEN 1363-1). Stanovení požární odolnosti dle tabulek je obdobou ČSN 73 0821. Na rozdíl od ČSN zde nejsou upřesňující podmínky pro dutinové dílce. Navíc norma požaduje ve zvláštních případech posouzení celé konstrukce vzhledem k pravděpodobnosti rozsahu možného požáru. Vztah (2.6) normy zavádí redukci užitného zatížení s ohledem na pravděpodobnost výskytu nahodilého zatížení v době požáru.

Stanovení požární odolnosti výpočtem pro dílce Spiroll dle připravované prEN 1168-1 vychází z FIP recommendations /9/. Norma definuje jako rozhodující mezní stav mezní moment únosnosti a jeho výpočet při zvýšených teplotách je v souladu s ustanoveními ČSN P ENV 1992-1-2. Návrh normy obsahuje také tabulkovou část s vysokými hodnotami požární odolnosti dílců Spiroll (i REI 120 minut). Výpočet v závislosti na zatížení umožňuje definovat vyšší požární odolnost oproti tabulkovým hodnotám.

6. Výpočet požární odolnosti

V soustavě ČSN není definovaná jednoznačná metodika pro výpočet. Pro výpočet chybí údaje o vlastnostech betonu při požárním zatížení. První vyhodnocení celého souboru dílců Spiroll bylo provedeno v /13/ na základě souboru zkoušek provedených v roce 1996. Dílce s nižším počtem lan, než byly zkoušené jsou zde podhodnoceny ve prospěch bezpečnosti a hodnoty požární odolnosti těchto dílců jsou neúměrně nízké (i 15 minut).

Vzhledem k tomu, že při zkouškách rozhoduje o požární odolnosti mezní stav dosažení mezní rychlosti přírůstků průhybů, který těsně předchází zřícení konstrukce, je možné při výpočtu požární odolnosti vycházet z ohybové únosnosti ohřátého dílce. K výpočtu je nutné znát množinu teplotních polí v dílci odpovídajících dobám trvání požárního zatížení dle normové křivky vývoje požáru. U dílců s lany v jedné vrstvě postačí místo teplotního pole znát růst teploty na úrovni této vrstvy průřezu v závislosti na čase. U vyšetřovaného dílce se určí v rozhodujícím průřezu ohybový moment od provozního zatížení. Vypočte se síla, kterou je schopna předpínací výztuž při zvýšené teplotě přenášet. Za předpokladu, že při horním povrchu dílce je ohřátím nepodstatně zmenšena pevnost betonu v tlaku, se určí rameno vnitřních sil a následně moment únosnosti, který se porovná s momentem od provozního zatížení. Protože se vychází ze vztahů uvedené v EN 1992-1-3, je vhodné výpočet dílců navržených dle ČSN konfrontovat s výsledky zkoušek a pokud se teplota vrstvy odečítá z grafu nahrazujícího výpočet teplotního pole, je vhodné zavést korekční součinitel vývoje teploty zahrnující vliv dutin.

7. Požární odolnost dílců Spiroll typové řady SPI a SPW

Oddělení Technického rozvoje Goldbeck Prefabeton s.r.o. vypracovalo metodiku posuzování dílců Spiroll navržených dle /3/ v pracích /14/ a /15/. V /15/ byla výpočtem předpovězena požární odolnost dílce SPW 718/20 05 a výpočet ověřen zkouškou /10/. Na základě shody výpočtu a zkoušky bylo vypracováno Vyhodnocení požární odolnosti předem předpjatých dutinových dílců Spiroll SPW a SPI /16/. Toto vyhodnocení bylo prověřeno a schváleno PAVÚSem Praha a schvalující dokument byl přiřazen k typovému podkladu. Současná definice požární odolnosti dílců Spiroll typových řad SPI a SPW pomocí dovoleného momentu Mn,?odpovídajícímu hladině požární odolnosti, umožňuje lepší využití požární odolnosti dílců Spiroll při zachování dostatečné bezpečnosti. Požární odolnost dílců Spiroll řady SPI a SPW je definována 45-90 minut.

8. Příklad posouzení požární odolnosti dílců řady SPI a SPW

Zadání: Dílec Spiroll výšky 250 mm délky 7,2 m, uložený jako prostý nosník, délka uložení na každé straně 100 mm, podlaha 100 mm včetně 30 mm zvukové izolace, příčky tloušťky 100 mm, světlá výška místnosti 2,6 m, požární odolnost požadovaná 60 minut. Požární odolnost dílce je definovaná momentem M?,60 od celkového provozního zatížení včetně vlastní hmotnosti dílce.

  1. bez oslabení: normové zatížení celkem včetně vlastní tíhy dílce Spiroll qn= omítka 0,3 + podlaha 1,61 + vlastní tíha dílce Spiroll 3,5 + příčky (přepočteno na čtvereční metr) 2,1 + užitné 3,0 = 10,51 kN/m2.Posouzení dílce pro statické zatížení:
    Dílec SPI 720/20 06: qn,dov = 8,81 kN/m2> 10,51 – 3,5 = 7,01 kN/m2.
    (qn,dov – dovolené provozní zatížení bez vlastní tíhy dílce při běžné teplotě)Moment od celkového provozního zatížení při šířce dílce 1,2 m:
    Mn = qn x b x L2/8= 10,51 x 1,2 x 7,102 / 8 = 79,47 kNm
    M?,60 = 89,5 kNm > Mn – vyhovuje
    Dílec vyhovuje pro dané zatížení a požadovanou požární odolnost 60 min.
  2. oslabení prostupem z boku 200 mm, oslabení dílce v místě maximálního momentu o jedno předpínací lano > zjednodušeně se posoudí dílec jako doplňkový typ SPI …/25 05.Minimální požární odolnost dílce SPI xxx/25 05 je 45 minut, požadovaná požární odolnost 60 minut, nutno přesněji posoudit.Pro SPI 720/25 05 je qn,dov = 7,62 kN/m2> qn – 3,5 =7,01 kN/m2 – vyhovuje při běžné teplotě M?,60 = 74,3 kNm < Mn = 79,47 kNm – nevyhovuje pož. odolnostDílec oslabený prostupem nevyhoví na požární odolnost 60 minut. Nutno použít dílec SPI 720/25 08 s větším počtem předpínací výztuže.

9. Závěr

ČSN P ENV 1992-1-2 přinesla legalizaci stanovení požární odolnosti výpočtem a definuje i zrovnoprávnění výpočtu se zkouškou. Její obecné vztahy a principy představují současný stav technického poznání. Citlivou aplikaci těchto vztahů a principů je možné provádět výpočty i pro dílce navržené v soustavě ČSN. Tato metoda je použitelná i pro již zhotovené konstrukce, např. při rekonstrukcích. Aplikací obecných pravidel a ustanovení z EN na ČSN 73 1201 se výpočty stanovení požárních odolností běžných železobetonových (rozuměj i předpjatých) konstrukcí při normové křivce požárního zatížení přesouvají z působnosti speciálních pracovišť do působnosti statika. Zatím nevyřešenou otázkou je legalizace těchto výpočtů statika tak, aby tyto výpočty byly uznány i dotčenými orgány státní zprávy. To znamená, zda bude stačit ověření statikem v rámci jeho autorizace s tím, že v rámci morálního kodexu autorizovaného inženýra provádí AI v rámci své specializace pouze činnosti, k nimž se cítí dostatečně odborně způsobilý, a nebo zda se zavede nějaký kontrolní mechanismus, který bude posvěcovat tyto výpočty. Pro stavební výrobky (prefabrikáty) je tento mechanismus obecně definován zákonem č.22/97 sb. o technických požadavcích na výrobky. Na výkladu tohoto zákona Autorizovanými osobami bude záležet, do jaké míry bude legalizace výpočtů požární odolnosti v praxi pro stavební dílce komplikovaná a podmínečně podpořená požárními zkouškami. Organizace požárních zkoušek železobetonových výrobků je časově náročná, velmi drahá a často neúměrně zatěžuje výrobce. U některých konstrukcí navíc požární zkoušky v peci neumožňují namodelovat skutečné chování dílců v zabudovaném stavu, což částečně znehodnocuje výsledky zkoušky. Role zkoušek by se měla přesunout na ověření principů chování a ověření nestandardních konstrukcí. Vyhodnocení zkoušek je nutno provádět jak z hlediska možného požárního rizika, tak i z hlediska statického chování konstrukcí zatížených statickým a současně teplotním namáháním. Stanovení požární odolnosti je tedy interdisciplinární obor, kdy na jedné straně je nutno definovat velikost požárního rizika, chování jednotlivých materiálů za zvýšených teplot, nárůst teplot, na druhé straně je definovat předpokládané statické chování konstrukce. Zde nabývá na významu role statika, neboť statik má nejvíce informací o dané konstrukci.

10. Literatura

/1/ ČSN 73 0851/1987 Stanovení požární odolnosti stavebních konstrukcí
/2/ ČSN 73 0821/b Požární odolnost stavebních konstrukcí
/3/ ČSN 73 1201/86/Z2 Navrhování betonových konstrukcí
/4/ ČSN P ENV 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí
/5/ ČSN P ENV 1992-1-2 Navrhování betonových konstrukcí část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
/6/ ČSN P ENV 1992-1-3, Navrhování betonových konstrukcí, část 1-3 Betonové dílce a montované konstrukce
/7/ Pr EN 1168-1 Prefabrikované betonové výrobky – dutinové desky pro stropy, část 1: Desky z předpjatého betonu, pracovní překlad, ČSNI 06/1997
/8/ Finaldraft prEN 1363-1 Fire resistance tests – Part1: General requirements, 10/1998
/9/ FIP recommendations on precast hollow core floors, 8/1987
/10/ Protokol Z-1.025-99 o zkoušce pož.odolnosti dílců SPW 718/20 05
/11/ Voves B.: Vliv požáru na konstrukce z předpjatého betonu, STNL 1983

Sdílejte článek

Další články v sekci Problematika požární ochrany