Navrhování betonových Navrhování betonových konstrukcí na účinky požárukonstrukcí na účinky požáru

Ing. Jaroslav Langer, PhDProf. Ing. Jaroslav Procházka, CSc.

Beton z požárního hlediska

• Ohnivzdorný materiál: - nehořlavý- tepelně izolační

• Skupenství: pevné, kapalné, plynné• Voda vázaná: chemicky, fyzikálně• Pórovitost, propustnost

Vliv teploty na beton

• Nad 100°C: - klesá vlhkost betonu- dehydratuje cementový tmel

- částice kameniva se rozpínají, vznikají v nich rozdílná teplotní přetvoření- v cementovém tmelu mikrotrhliny- rozdílné teplotní přetvoření na styku kameniva a cementového tmelu ⇒ beton se nerozpadá, povrchové částice odpadávají

Vliv teploty na beton

• Nad 350°C: - dehydratace kameniva- kamenivo se začíná rozpadávat

- nejdříve se rozpadá např. křemenný štěrk, později drcená žula apod.

• Se stoupající teplotou - do 1200°C: - transformace materiálu (oddělování kalcium hydroxidu a kalcium karbonátu

• Nad 1200°C: - tavení materiálu

Účinek požáru na beton• Odpadávání úlomků betonu od povrchu:

příčina: tlak vodní páry v pórechOdštěpování více pravděpodobné u betonu s:- vyšší vlhkostí- menší propustností vodních par (vysokopevnostní betony – málo propustné) Opatření: syntetická vlákna, výztužné sítě

· Pokles pevnosti - do 300° C konstrukčněnevýznamné, pak rychlý pokles

· Beton – ochrana výztuže

Přístup k navrhování

• Materiálově založený přístup - nedostatečný,důležitý i vliv zatížení a chování konstrukce

• Přístup EN 1992-1-2:přihlíží k:- možnému zatížení při požáru- fyzikálním a teplotním vlastnostem betonu

a oceli- chování prvků, popř. celé konstrukce

Zkouška požární odolnosti stropní desky

Zkouška požární odolnosti panelu TT

Zkouška požární odolnosti sloupu

Zkouška požární odolnosti stěny

Ukončení zkoušky požární odolnosti stěny

EN 1992-1-2• platí pro konstrukce navržené podle EN 1992-1-1

• požární odolnost zajištěna pasivními prvkyvlastní odolností konstrukce - zabránit předčasnému kolapsu, šíření požáru

• neplatí pro předpjaté konstrukce s vnějšími kabely a skořepiny

Návrh:• mimořádná návrhová situace• rozdíly nebo dodatky k návrhu za normální teploty

Požadavky• „R“ - mechanická odolnost• „E“ - požárně dělící funkce• „I“ - tepelně izolační funkce

Zatížení při požáruη fi =0,7 Ed,fi = η fi Ed

Vlastnosti materiálů– mechanické Xd,fi = kΘ Xk / γ M,fi

– teplotní Xd,fi = Xk,Θ / γ M,fi ; γ M,fi = 1,0

SpolehlivostEd,fi < Rd,fi

Mechanické vlastnostiBeton v tlaku - pracovní diagram

Mechanické vlastnostiBeton v tahu - redukční součinitel

Mechanické vlastnostiVýztuž - pracovní diagram

Teplotní a fyzikální vlastnostiBeton - teplotní roztažnost

1 silikátové kamenivo

2 vápencové kamenivo

Teplotní a fyzikální vlastnostiBeton - specifické teplo

Teplotní a fyzikální vlastnostiBeton - teplotní vodivost

Teplotní a fyzikální vlastnostiVýztuž - teplotní roztažnost

1 betonářská výztuž

2 předpínací výztuž

Návrhové metody

• Návrh podle tabulek– tabulky pro kategorie prvků

• Zjednodušené metody– únosnost průřezů: izoterma 500° – zónová metoda

• Obecná metoda– analýza reálného chování za požáru

Návrh podle tabulek

• „E“, „I“ splněny dodržením min. tloušťky prvku• „R“ dodržet osovou vzdálenost výztuže a (obr.)• dodržet konstrukční zásady• bez dalšího ověřování na smyk, kroucení, kotvení

Zjednodušené metody– mezní únosnost otepleného průřezu

– namáhání M, N , M - N

– rozložení teploty v konstrukci při požáru– zkoušky, teplotní profily, výpočet

• Metoda izotermy 500°– beton o teplotě >500° zanedbán

• Zónová metoda– dělení průřezu na zóny

– vyloučení teplotou poškozeného betonu

Teplotní profil pro desku

Teplotní profil pro trám

Teplotní profil pro sloup

Metoda izotermy 500°

Oboustranně vyztužený průřez

Zónová metoda

Obecná metoda– reálný výpočet konstrukce vystavené požáru

– použitý postup má být ověřen zkouškou 1:1

– modely:

• teplotní odezva - zatížení podle EN 1992-1-2• teplotní a fyzikální vlast. závislé na T

• mechanická odezva - závislost mech. vlast. na T• napětí a přetvoření od T

• podmínky uložení a omezení deformací

Odprýskávánínepravděpodobné pro vlhkost menší než 3% hmotnosti

Odpadávání betonupozdější stádia požáru - krytí větší než 70 mm → síť

Vysokohodnotný beton

– C55/67 až C80/95 s obsahem křemičitého úletu < 6%hmotnosti cementu - pravidla pro normální beton

– C80/95 až C90/105 a C55/67 až C80/95 s „k.ú.“>6%♦ provést alt. opatření: •síť, •test, •ochranu, •vlákna ♦ pro tabulkové údaje a zjednodušené metody přijmout dodatečné redukce posun izotermy 500° na 400°: - zvětšení osové vzdálenost pro sloupy, - mezního momentu pro trámy

Příklad - deska q=5 kN/m2

g=7 kN/m2

Suché prostředíREI 90

As=1026 mm2

Asd=915 mm2

Tab.: EI 90 - h=100 mm < 200 mm – vyhovíR 90 - a=30 mm > 27 mm – nevyhoví

závěr R90 není splněno

S ohledem na rezervu v ploše výztuže:

σfi,s=0,7 =223 MPa410*0,0009151,15*0,001026

ks(Θ)= =0,54223410

Θcrit= 528°C

a´=a+∆a=30+0,1*(500-528)=27,2 > ad=27mmR90 není splněno

Zónová metoda

Θcrit= 510°CKřivka 90min:

fyd,fi= =307 MPa0,75*4101

ks(Θ)=0,75

fcd,fi= =25 MPa1*251

x=1,25*0,001026*307 / 25=0,016mMRD=0,001026*307000*(0,2-0,027-0,4*0,016)=52 kNm

Md,fi=0,7*53=37 < MRD=52 kNmR90 je splněno

Požární zkouška Cardington

Budova:

- půdorysná plocha 6750 m2

- pole 7,5 m x 7,5 m

- počet podlaží 7

- požární odolnost 60 min.

Požární zkouška - 1. podlaží

- plocha požární sekce 225 m2

- stropní deska:

tloušťka 250 mm, krytí 20mm

beton fc = 74 MPa

vlhkost 3,8 % hmotnosti

zatížení nahoře 3,25 kN/m2

- sloup:0,4m x 0,4 m, 0,4 m x 0,25 m

světlá výška 4250 mm

krytí 40 mm

beton fc = 103 MPa

polyp. vlákna 2,7 kg/m3

vlhkost 4,2 % hmotnosti

přitížení, aby os. síla N=925 kN

Před požárem - požární zatížení 40 kg/m2 ( 720 MJ/m2),

podepření pro případ havárie - bez dotyku s deskou

Plně rozvinutý požár

- po 10 min. odštěpování

betonu ze spodního líce

desky

Průběh teploty za požáru

Po požáru - rozsah odštěpení betonu

Sloup z vysokopevnostního

betonu po požáru

- beton s přísadou

polypropylénových vláken

2,7 kg/m2 betonu

Tlakové membránové působení

Děkuji za pozornost