Tematicky experiment nadviazal na sedem veľkých požiarnych skúšok, ktoré boli uskutočnené na skutočných budovách z ocele, betónu a dreva v Cardingtonu vo Veľkej Británii a táto, ôsma, je dokladom vysokého kreditu, ktoré v oblasti navrhovania požiarno-odolných stavieb majú naši inžinieri. Ciele nezvyčajných požiarnych skúšok priblížil prof. František Wald, z Katedry oceľových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe: “Európske požiarne návrhové normy, ktoré umožňujú dobre predpovedať správanie jednotlivých konštrukčných prvkov za zvýšených teplôt, vychádzajú z výsledkov experimentov v laboratórnych podmienkach. Ukazuje sa však, že to nie je postačujúce... Pre zaistenie vysokej požiarnej odolnosti stavieb a pre spoľahlivejšie ekonomické riešenie stavebných konštrukcií sú k dispozícii teoretické podklady a návrhové modely. Ich overenie skúškami na skutočných objektoch je ale nenahraditeľné.”
Hlavným cieľom požiarnej skúšky, ktorej vykonanie bolo podporované z národných aj medzinárodných grantov, bolo overiť predpovede správania konštrukcie administratívnej budovy vystavené požiaru ako celku. Okrem požiarnej odolnosti troch typov stropných konštrukcií bolo otestovaných aj šesť riešení obvodových plášťov s izoláciami z minerálnej vlny. Očakáva sa, že výsledky skúšky umožnia využitie pokročilých stavebných technológií, dokonalejších metód návrhu, ktoré prinesú zvýšenie spoľahlivosti a ekonómie pri riešení požiarnej odolnosti. Takisto sa ráta, že výsledky sa premietnu do národných a európskych požiarnych návrhových noriem. “Účinná ochrana životov, zdravia a majetku pred požiarmi je výsledkom spolupôsobenia celého radu faktorov,” hovorí plk. Rudolf Kaiser, riaditeľ odboru prevencie Generálneho riaditeľstva Hasičského záchranného zboru ČR. “Zlyhanie ktoréhokoľvek z nich môže mať ďalekosiahle následky. A každá príležitosť overiť správanie konštrukcie v praxi usnadňuje výber ideálnej formy protipožiarnej prevencie. V prípade požiaru navyše umožňuje odhadnúť situáciu s väčšou presnosťou a podrobnejšie naplánovať zásah hasičského zboru. V takom prípade je každá minúta drahá,” dodáva plk. Kaiser.
Na skúške sa okrem ČVUT, ktoré je nositeľom projektu, podieľajú aj Ústav teoretickej a aplikovanej mechaniky (ÚTAM AV ČR), Pavus a.s., The University of Sheffield, Slovenská technická univerzita v Bratislave, Generálne riaditeľstvo hasičského záchranného zboru MV ČR, Profesná komora požiarnej ochrany a celý rad spoločností zodpovedajúcich za realizáciu konštrukcie. Experimentálnu budovu o objeme troch miliónov korún financovali sponzori projektu ArcelorMittal Long Carbon R&D Centre, EXCON a.s., Rockwool a.s., Promat s.r.o., HAIRONVILLE VIKAM s.r.o., Metrostav a.s., TBG Metrostav s.r.o., DYWIDAG PREFA a.s., Kovové profily s.r.o., Kingspan a.s., SGB a Hünnebeck CZ s.r.o., Skála a Vít s.r.o. a ďalší. Mediálnym partnerom bol časopis Konštrukcie.
Úvod
Analýza správania konštrukcie za požiaru sa stáva bežnou praxou pri jej návrhu. Predpoveď správania jednotlivých prvkov za zvýšených teplôt je v európskych normách na veľmi vysokej úrovni. Pre prechod od navrhovania jednotlivých prvkov k ekonomickejšiemu a spoľahlivejšiemu riešeniu konštrukcie ako celku sú skúšky na celých konštrukciách zásadné. Základom takýchto skúšok bolo sedem veľkých požiarnych skúšok na oceľovej, jedna na betónovej a dve na drevenej konštrukcii v laboratóriu v Cardingtonu vo Veľkej Británii v rokoch 1998 až 2003. Od tej doby bolo vykonaných päť požiarnych skúšok na celých budovách. Skúška v Mokrsku 18.9.2009 rozvinula doposiaľ získané poznatky.
Ciele projektu
Požiarna skúška overila celkové správanie konštrukcie vystavenej požiaru, čo nie je možné uskutočniť iba na jednotlivých prvkoch. Takisto nie je možné vyvodzovať zásadné závery požiarnych testov na laboratórnych zmenšeninách.
Skúška v Mokrsku mala potvrdiť správnosť pokročilého integrovaného návrhu, ktorý zahŕňa aj fázu ochladzovania, a zmeny materiálu v priebehu chladnutia a po požiari. Okrem troch typov stropnej konštrukcie bol overený priebeh teplôt v styčniciach so zvýšenou požiarnou odolnosťou. Prípoje s čelnou doskou, ktoré boli optimalizované metódou komponent, boli čiastočne požiarne chránené betónovou doskou. Oceľovo-betónová doska, ktorá v priebehu požiaru prenášala zaťaženie membránovým pôsobením, bola spriahnutá s dvoma typmi nosníkov, ktoré výraznou úsporou hmotnosti šetria životné prostredie – s prelamovanými stropnými nosníkmi a so stropnými nosníkmi s vlnitou stojinou. Požiarne nechránené prelamované nosníky s variabilným tvarom otvorov v stojine Angelina, sa navrhujú pomocou pokročilých výpočtových modelov a vynikajú moderným estetickým pôsobením. Požiarne nechránené nosníky s vlnitou stojinou umožňujú jej hrúbku iba 4 mm. Prievlaky a okrajové nosníky boli riešené s doskovou požiarnou ochranou. Na jednej štvrtine stropnej konštrukcie o rozmeroch 6 × 9 metrov bola skúmaná únosnosť stropu s predpätými dutými betónovými panelmi.
Test oi. slúžil k podrobnému vyšetreniu rozvoja teploty v požiarne chránených stĺpoch, ktoré boli v konštrukcii kombinované s požiarne nechránenými stropmi. Na stenách budovy, vytvorených z nosných kaziet, trapézových plechov a sendvičových panelov, bol skúmaný prestup tepla a správanie za vysokých teplôt. Bola meraná teplota, vlhkosť a napätie betónových a sadrových stien vystavených prirodzenému požiaru.
Konštrukcia
Objekt reprezentoval časť jedného podlažia administratívnej budovy o rozmeroch 18 × 12 m. Oceľovo-betónová doska bola navrhnutá na rozpätie 9 × 6 m. Stĺpy z profilu HEB 180 boli požiarne chránené. Prelamované nosníky o výške 395 mm boli vyrobené z IPE 270. Nosníky s vlnitou stojinou mali pásnice o šírke 220 mm a hrúbke 15 mm. Stojina bola z plechu o hrúbke 2,5 mm a výške 470 mm. Okrajové nosníky boli z profilu IPE 400. Vodorovná tuhosť rámu bola zaistená betónovou stenou o hrúbke 250 mm a dvoma stužovadlami z uholníkov L 100 × 10. Prípoj čelnou doskou so zvýšenou požiarnou odolnosťou bol z 10 mm plechu a so štyrmi šróbmi. M16. Horné dva boli zabetónované v doske. Prosto podopretá železobetónová doska bola betónovaná do trapézových plechov CF46 (Cofraplus 0,75 mm) o celkovej hrúbke 120 mm (60 + 60 mm). Kocková pevnosť použitého betónu bola 30 N/mm³ a pevnosť vystužovacej siete Ø 5 mm 100/100 mm bola 500 MPa. Predpäté duté panely Spiroll o výške 320 mm boli navrhnuté na rozpätie 9 m. Dve obvodové steny boli tvorené nosnými kazetami, minerálnou vlnou a vonkajšími trapézovými plechmi. Ďalšie dve steny tvorili sendvičové panely o hrúbke 150 mm a boli vyplnené minerálnou vlnou. Protipožiarna ochrana stĺpov, prievlakov, okrajových nosníkov a stužidiel bola riešená pre požiarnu odolnosť R60.
Zaťaženie
Mechanické zaťaženie bolo navrhnuté tak, aby odpovedalo bežnej administratívnej budove, kde sa premenné zaťaženie pohybuje v rozpätí 2,5 až 3,5 kN/m². Za požiarne situácie je štatisticky overené, že mechanické zaťaženie nedosahuje najväčších hodnôt. Skutočná vlastná tiaž skúšanej konštrukcie predstavovala 2,6 kN/m². Pri skúške bolo premenné zaťaženie 3,0 kN/m² vytvorené vrecami s pieskom (86 vriec každý po 900 kg). Toto zaťaženie zodpovedalo pri návrhu na hraničnom stave únosnosti za bežnej teploty premennému zaťaženiu 3,0 kN/m² a zaťaženiu podlahami a priečkami 1,0 kN/m², v charakteristických hodnotách. Použité zaťaženie prekračovalo predpokladanú únosnosť, ktorá bola pre zjednodušený model stropnej konštrukcie vypočítaná 3,49 kN/m², asi o 60 %. Požiarne zaťaženie bolo tvorené drevenými hranolmi 50 × 50 × 1000 mm umiestnenými na podlahe objektu. Celkom tu bolo rozmiestnených 50 hraníc po 12 podlažiach, tzn. asi 35,5 kg/m² dreva, čo je asi 620 MJ/m².
Požiarne zaťaženie bežnej administratívnej budovy pri jej návrhu je stanovené na 420 MJ/m². Navrhnuté množstvo paliva presiahlo asi o 50 % množstvo, ktoré sa nachádza v budove tohto určenia. Ventilácia bola zaistená okennými otvormi, ktoré zodpovedali modernej podlažnej budove. Parapet dosahoval do výšky 1 m a okná mali výšku 2,54 m a celkovú dĺžku 8,00 m. V oknách nebola sklenená výplň. Maximálna teplota plynu, ktorá bola predpovedaná parametrickou požiarnou krivkou, 1057 °C mala byť dosiahnutá po 60 minútach požiaru (obr. 1). Fáza ochladzovania bola zrátaná na približne 90 minút.
Obr. 1: Predpoveď teploty plynu a namerané teploty plynov v požiarnom úseku.
Meranie
Pre meranie teplôt bolo plánovaných 136 termočlánkov, z toho pre meranie teploty plynu 12 kusov, styčníkov 31 kusov, stropníc 13 kusov, stien 9 kusov, stĺpov 9 kusov, betónové dosky 14 kusov a ohraničujúcich konštrukcií 56 kusov. Deformácie boli merané na desiatich miestach konštrukcie z lešenia, ktoré bolo umiestené 1,5 m nad stropom skúšobnej budovy. Geodeticky boli deformácie merané trigonometricky pomocou ôsmich tyčí na strope. Sedem tenzometrov, ktoré umožňovali merať pomerné deformácie pri teplotách do 1200 °C, bolo pripevnených na stojiny nosníkov pre stanovenie rozvoja vnútorných síl v konštrukcií pri požiari. Päť videokamier a tri termokamery snímali správanie konštrukcie a rozvoja teplôt v konštrukcii a v stenách.
Vlastný priebeh požiarnej skúšky
Boli sme si vedomí, že podrobné vyhodnotenie tohto výnimočného experimentu s veľkým množstvom nazhromaždených dát je záležitosť na dlhší čas, a aj toho, že kompletná záverečná správa zaberie oveľa viac, než len niekoľko strán v časopise. Aj napriek tomu sme požiadali profesora Františka Walda (Katedra oceľových a drevených konštrukcií, Pražské České vysoké učenie technické ČVUT) o krátke zhrnutie. S láskavosťou pána profesora, ktorému zároveň touto cestou ďakujeme, ho teraz prinášame čitateľom:
Obr. 2: Začiatok skúšky - zapálení hraníc s palivovým drevom.
Požiarna skúška bolo zameraná na spresnenie popisu správania prvkov a spojov v konštrukcii pri požiari. Výsledky umožňujú zvýšiť spoľahlivosť návrhu konštrukcie vystavenej zvýšenej teplote pomocou pokročilých modelov, predpoveď teploty v požiarnom úseku, prestupe a rozvoji tepla v konštrukcii a správanie konštrukcie vystavenej zvýšeným teplotám. Pri požiari sa merala teplota v asi 200 bodoch, celkové aj pomerné deformácie, tlaky pár, vlhkosť, sálanie z konštrukcie na konštrukciu vo vnútri požiarneho úseku aj na oceľovú konštrukciu pred okenným otvorom, prechod plynov plášťom a klimatické podmienky pri skúške. Správanie je zdokumentované video a termo kamerami.
•
Požiarne zaťaženie 619,8 MJ/m² bolo vyvodené hranolmi dreva o priemernej vlhkosti 15,7 %, čo zodpovedá asi 111 % zaťaženia, ktoré sa predpokladá v administratívnej budove. V požiarnom úseku bola odmeraná najvyššia teplota plynu 935 °C. Výpočtom zónovým modelom sa konzervatívne predpokladalo, že by teplota mohla dosiahnuť až 1057 °C. Vplyvom odnímania tepla masívnou betónovou stenou bola ľavá časť požiarneho úseku podľa predpokladu chladnejšia, maximálne iba 855 °C. Teplotná krivka v pravej časti požiarneho úseku sa takmer kryje s normovanou nominálnou teplotnou krivkou. V 60-tej minúte požiaru tu bola nameraná teplota až 930 °C.
Obr. 3: Pohľad do požiarneho úseku krátko pred priestorovým vzplanutiem.
Oceľobetónová doska prenášala od 23. minúty požiaru väčšinu zaťaženia. Nechránené prelamované oceľové nosníky mali v tom čase asi 480 °C a priehyb 135 mm a ich únosnosť sa začala redukovať. V 34. minúte požiaru mali už teplotu 770 °C a priehyb 378 mm, čomu zodpovedá únosnosť asi 10 %. Ako sa predpokladalo, k porušeniu dosky došlo v 62. minúte požiaru na počiatku fáze ochladzovania pri nameranej teplote nosníkov 895 °C. V tom čase bola namáhaná na asi 167 % únosnosti, ktorá bola stanovená podľa zjednodušeného návrhového modelu pre dané mechanické a požiarne zaťaženie.
•
Oceľobetónovú dosku nad oceľovými požiarne nechránenými nosníkmi s vlnitou stojinou sa nepodarilo porušiť. Nosníky dosiahli najväčšieho priehybu 256 mm a najvyššiu teplotu 780 °C. Membránové pôsobenie oceľobetónovej dosky sa prejavilo od 20.-tej minúty požiaru, kedy teplota nosníka prekročila 450 °C a naplno sa rozvinulo v 32.-hej minúte požiaru, kedy dosiahla 715 °C a únosnosť nosníkov bola redukovaná iba na 15 %.
Obr. 4:
Priehyb prelamovaných nosníkov Angelina.
Tretia časť stropu bola tvorená dutými predpätými betónovými panelmi. Táto časť stropu sa prehla iba 100 mm. Bolo overené ich správanie za vysokých teplôt a ich 60 minút trvajúca požiarna odolnosť.
Súčasťou skúšky bol aj vývoj spojov so zvýšenou požiarnou odolnosťou. Teplota spodnej časti spoja dosiahla 520 °C, pri teplote nosníka 935 °C. Teplota spoja, ktorý bol zakrytý oceľobetónovou doskou, neprekročila 195 °C. Spoje sa pred porušením dosky plasticky deformovali.
Obr. 5: Celkový pohľad na poškodenú ocelobetonovú dosku.
Pred oknom požiarneho úseku bol inštalovaný oceľový stĺp, ktorý predstavoval oceľovú konštrukciu vo vnútri požiarneho úseku. Jeho teplota a teplota plynu v jeho okolí bola meraná pomocou 16-tich termočlánkov. Teplota konštrukcie dosiahla 400 °C a plynu 550 °C.
Dôležitou súčasťou skúšky bolo overenie požiarnej odolnosti sendvičových panelov a skladaného plášťa s izoláciou z kamennej vlny. Pri najvyššej teplote vnútorného povrchu plášťa 930 °C neprekročili povrchové teploty vonkajšieho plášťa kritériá požiarnej odolnosti podľa európskej skúšobnej metodiky. U skladaného plášťa dosiahla teplota vnútorného líce špičkovo až 1055 °C. Prírastok teploty vonkajšej strany stenových plášťov s kazetami dosiahol priemerných hodnôt menších než 100 K, v maxime 114 K. Vo dvoch 6 m poliach bolo porovnané správanie dvoch systémov skladaného plášťa – s nosným medziroštom a vodorovným plechom a zvislým vonkajším plechom bez roštu. K porušeniu plášťa do 60. minúty skúšky nedošlo. (František WALD, Katedra oceľových a drevených konštrukcií, ČVUT Praha).
Obr. 6: Ku skrútenie stavby došlo už vo fáze poklesu teplôt.
Podrobnejšie informácie nájdete v dokumente ČVUT Praha POŽÁRNÍ ZKOUŠKA NA EXPERIMENTÁLNÍM OBJEKTU V MOKRSKU – Zpráva ze zkoušky.
