Požární zkoušky membránového působení dřevobetonové konstrukce s rozptýlenou výztuží
Předmětem tohoto příspěvku je porovnání dvou provedených experimentů dřevobetonové stropní konstrukce s rozptýlenou výztuží za požáru, tvořené vláknobetonovou deskou a dřevěnými nosníky z lepeného lamelového dřeva. Hlavním cílem je posoudit možnost využití vláknobetonové desky, která spolupůsobí s dřevěnými nosníky ke zvýšení požární odolnosti spřažené dřevobetonvé konstrukce díky membránovému chování.
Úvod
Výhody spřažených dřevobetonových konstrukcí jsou vzhledem k jejich vysoké únosnosti a výborné použitelnosti již řadu let dobře známy. Aplikace ocelových vláken jako náhrady za běžně používanou betonářskou výztuž dřevobetonových konstrukcí přináší výhody, mezi které patří hlavně zmenšení tloušťky stropní konstrukce a tím její vlastní tíhy, pozdější vývoj trhlin ve vláknobetonové desce a technologické výhody ve stavebním procesu. Několika zahraničními experimenty provedenými na stávajících dřevěných trámových stropech byly tyto skutečnosti prokázány (Holschemacher, 2002).
Výzkum prezentovaný v této práci se soustřeďuje na dřevobetonové stropní konstrukce s rozptýlenou výztuží pro nové vícepodlažní dřevostavby. Pozornost je věnována především chování těchto konstrukcí za požáru a jejich přechodu z momentového na membránové působení při velkých deformacích za vysokých teplot. Přesto, že je membránové působení ocelobetonových konstrukcí dobře známé již od 70. let minulého století, u dřevobetonových konstrukcí zatím nebylo předmětem žádného výzkumu a dosud nebylo publikováno.
Na počátku tedy byla myšlenka vyžití membránového chování u spřažených dřevobetonových konstrukcí, aby byl jejich návrh ekonomický ve srovnání s tradičními metodami návrhu za požáru. Snahou bylo nabídnout trhu nový typ dřevobetonové stropní konstrukce s menšími průřezy vnitřních dřevěných nosníků než by vyžadovaly dostupné normy při momentovém působení konstrukce. Beton s rozptýlenou výztuží byl zvolen kvůli svým příznivějším mechanickým vlastnostem za požáru ve srovnání s prostým betonem.
Beton s rozptýlenou výztuží, z něhož je deska vyhotovena musí obsahovat vyšší % vyztužení rozptýlenou výztuží než je obvyklé (tj. 20–30 kg/m3), proto aby byla zajištěna dostatečná duktilita desky a docházelo tak k tzv. deformačnímu zpevnění po vzniku trhliny. K tomuto jevu dochází zhruba od 1 % vyztužení průřezu rozptýlenou výztuží (cca 70 kg/m3). Provádění konstrukcí je ovšem velmi citlivé na technologickou kázeň při realizaci. Nedostatečná technologická kázeň může velmi negativně ovlivnit výsledné vlastnosti desky a její schopnosti plně a spolehlivě působit ve stropní konstrukci. V materiálových modelech je uveden předpoklad rovnoměrného směrového rozmístění ve struktuře vláknobetonu, v praxi se tento předpoklad nedá splnit vždy na 100 %, ovšem při správném a svědomitém technologickém postupu při výrobě vláknobetonu, se mu může velmi přibližovat.
Membránové chování dřevobetonové konstrukce
Díky membránovému působení dokáže konstrukce roznést zatížení z tepelně ovlivněných částí do tepelně neovlivněných a vzájemným spolupůsobením jednotlivých částí konstrukce je tak možný hospodárnější návrh požární ochrany. Tuto skutečnost potvrdily výsledky předkládaného výzkumu, které prokázaly, že chování nechráněné dřevobetonové stropní konstrukce s rozptýlenou výztuží vystavené požáru je výborné. Ve všech zkouškách bylo dosaženo vysoké požární odolnosti a bylo potvrzeno zvýšení únosnosti stropní konstrukce při přechodu desky z momentového působení na membránové. Pro aktivování membránových sil ve stropní konstrukci jsou však potřebné velké svislé průhyby, které jsou v případě návrhu konstrukce za běžné teploty nepřípustné a které nemají za běžných podmínek žádné praktické využití.
Zkoušky dřevobetonové konstrukce za zvýšené teploty
Zkoušky dřevobetonové stropní konstrukce za zvýšené teploty proběhly v požární zkušebně PAVUS ve Veselí nad Lužnicí na podzim v letech 2012 a 2013. Rozměry konstrukce 3,0 × 4,5 m byly navrženy podle rozměrů zkušební pece a navazovaly na předchozí výzkum ocelobetonové stropní konstrukce s rozptýlenou výztuží.
Deska ELE-1 o tloušťce 60 mm byla vybetonována na dřevěný rám z lepeného lamelového dřeva GL24h průřezu 200/240 mm s dvěma dřevěnými nosníky průřezu 120/160 mm. Deska ELE-2 o tloušťce 60 mm byla vybetonována na dřevěný rám z lepeného lamelového dřeva GL36c průřezu 200/240 mm s dvěma vnitřními nosníky průřezu 100/160 mm. Betonová deska byla ve všech případech vyztužena 70 kg/m3 drátky typu HE 75/50 Arcelor, pevnosti 1200 MPa. Do směsi bylo přidáno 1,5 kg/m3 polypropylenových vláken. Dřevěný rám stropní konstrukce byl v případě desky ELE-1 z vnitřní strany požárně chráněn dřevěným obkladem z rostlého dřeva tl. 20 mm. Vnitřní dřevěné nosníky u desky ELE-1 byly ponechány bez požární ochrany. V případě desky ELE-2 byla kromě dřevěného obkladu z vnitřní strany rámu aplikována ještě požární ochrana pomocí desek PROMATECT®-H, tl. 10 mm ze spodní části rámu, aby se zvýšila požární odolnost dřevěného obvodového rámu a nedošlo během zkoušky k jeho prohoření. Vnitřní dřevěné nosníky u desky ELE-2 byly rovněž ponechány bez požární ochrany.
Mechanické zatížení během obou zkoušek tvořily dva betonové kvádry o rozměrech 0,3 × 0,3 × 1,8 m, které byly rovnoměrně uloženy na horní povrch stropní konstrukce a které představovaly rovnoměrné zatížení 1,8 kN/m2. Celkem bylo v obou případech použito dvacetsedm termočlánků, viz Obr. 1. Třináct termočlánků typu MTC10/1xK/A=2mm/Inconel bylo zabetonováno do vláknobetonové desky, čtyři termočlánky typu MTC10/1xK/A=2mm/Inconel byly umístěny do dřevěných vnitřních nosníků a deset termočlánků typu MTC10/1xK/A=3mm/Inconel měřilo teplotu plynu v peci. Při zkoušce se deformace měřila celkem třinácti snímači deformace, z toho sedmi vertikálními a šesti horizontálními.
Obr. 1: Rozmístění termočlánků u zkoušky za zvýšené teploty
Konstrukce byla v případě desky ELE-1 zatěžována podle nominální normové teplotní křivky po dobu 150 min. Poté byly hořáky vypnuty, aby mohla pec přirozeně vychladnout. Výsledky zkoušky se zaznamenávaly i během této fáze, aby se ověřilo chování stropu během celé doby případného požáru. Během zkoušky byly dřevěné nechráněné nosníky v peci vystaveny požáru ze tří stran. Snižující se ohybová únosnost nechráněných nosníků neumožnila po 45. min déle přenášet mechanické zatížení deskovým působením, které se změnilo na membránové. Ve středu desky se vytvořila tažená membrána a na jejím obvodu tlačený prstenec. Ve středu desky působily tahové vnitřní síly a v prstenci na jejích okrajích tlakové. Ve 120 min byl celkový průhyb uprostřed stropu více než 220 mm.
Konstrukce desky ELE-2 byla zatěžována podle nominální normové teplotní křivky po dobu 60 min. V 60 min bylo zvyšování teploty v peci zastaveno a byly uzavřeny všechny komíny s přívodem vzduchu, aby byla deska co nejdříve uhašena. Teploty a posunutí se zaznamenávaly až do 120 min, kdy byla zkouška ukončena. Během této fáze se konstrukce chovala dobře. Snižující se ohybová únosnost nechráněných nosníků neumožnila po 40. min déle přenášet mechanické zatížení deskovým působením, které se změnilo na membránové. Ve 120 min byl celkový průhyb uprostřed stropu více než 90 mm.
Závěry ze zkoušek
Výsledky zkoušky poskytují experimentální údaje o chování dřevobetonové stropní konstrukce vystavené nominální normové teplotní křivce a jejím membránovém působení. Obě dřevobetonové stropní konstrukce nebyly po obvodě vodorovně drženy. Svislé uložení umožnilo vznik membránové působení s rovinnými silami přecházejícími do tahu ve střední části desky a tlaku po obvodě desky. Tažená část tvořila elipticko-parabolickou taženou síť zakotvenou do betonového tlačeného prstence na obvodu desky. Ve střední části stropních desek se neobjevily významné trhliny. Díky membránovému působení mohly vnitřní stropnice za požárního stavu zůstat požárně nechráněné. Spřahovací prvky měly během obou zkoušek dostatečnou tuhost a únosnost. Spolupůsobení mezi deskou a nosníky bylo během celého průběhu zkoušek zachováno.
Zkouška desky ELE-1 byla ukončena po 150 min. Celistvost konstrukce byla dodržena během prvních 100 min, poté se otevřela první trhlina na šířku 5 mm a plameny začaly být viditelné na horním povrchu vzorku. Kolaps konstrukce nastal ve 154 min. Požární odolnost konstrukce byla stanovena na R150. Během požáru nebylo pozorováno žádné odštěpování betonu. To bylo docíleno díky přidání polypropylenových vláken do směsi betonu.
Obr. 2: Projev membránového působení dřevobetonové stropní konstrukce ELE-2 po zkoušce za zvýšené teploty
Zkouška desky ELE-2 byla ukončena po 60 min. Poté byly hořáky vypnuty a požár byl uhašen. Měření probíhalo až do 120 min. Celistvost konstrukce byla dodržena během prvních 55 min požáru. V 55 min se v jednom z rohů otevřela trhlina o šířce 2 mm kvůli rozdílnému pohybu obvodového příčného a podélného nosníku, což způsobilo prasknutí desky v tomto místě. Požární odolnost konstrukce byla stanovena na R60. Během požáru nebylo pozorováno žádné odštěpování betonu. To bylo docíleno díky přidání polypropylenových vláken do směsi betonu.
U zkoušky ELE-2 nebylo dosaženo kolapsu stropní konstrukce. Vlivem narůstajícího průhybu se po 42 min začalo projevovat membránové působení, viz Obr. 2. Zbytková únosnost dřevobetonové stropní konstrukce po jejím zchladnutí byla pro dané zatížení dostatečná i přes značné průhyby konstrukce. Během chladnutí se konstrukce chovala dobře.
Obr. 3: Porovnání naměřené deformace stropní konstrukce ELE-1 a ELE-2 u zkoušek za zvýšené teploty
Graf průhybu uprostřed desky v závislosti na čase je pro desky ELE-1 a ELE-2 téměř shodný, viz Obr. 3. To dokazuje stejné chování v obou případech a stejný způsob porušení. Porovnání teplot, průhybů a selhání dřevěných nosníků zkoušených stropních konstrukcí je v Tabulce.
| Teplota na horním povrchu jednotlivých stropních konstrukcí v časech [°C] | Průhyb uprostřed rozpětí jednotlivých stropních konstrukcí v čase [mm] | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Čas [min] | ELE-1-120/160 | ELE-2-100/160 | Čas [min] | ELE-1-120/160 | ELE-2-100/160 |
| 0 | 20 | 22 | 0 | – | – |
| 20 | 68 | 70 | 20 | 14 | 18 |
| 40 | 123 | 120 | 40 | 37 | 39 |
| 60 | 177 | 165 | 60 | 90 | 90 |
| 80 | 233 | 230 (konec) | 80 | 125 | 89 (konec) |
| 100 | 272 | 240 (konec) | 100 | 155 | 91 (konec) |
| Selhání dřevěných nosníků jednotlivých stropních konstrukcí v čase [min] | |||||
| ELE-1-120/160 | ELE-2-100/160 | ||||
| 45 | 40 | ||||
Poděkování
Příspěvek vznikl za podpory projektu Grantové agentury České republiky č. P105/10/2159 a za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
Literatura
- Kuklíková, A. 2004. Kompozitní dřevobetonové konstrukce. ČVUT v Praze, Disertační práce. Praha.
- Petřík, V., Philipp, N., Křístek, V., Půlpán, M. 2011. Full-scale testy kompozitních konstrukcí FRC-dřevo a UHPFRC-dřevo. 18. konference Betonářské dny, Sekce: Mosty 2: 337–342. Praha.
- Kodur, V.K.R & Lie, T.T. 1996 Thermal and mechanical properties of steel-fibre-reinforced concrete at elevated temperatures. Can. J. Civ. Eng. 23:511–517.
- Dias, A.M.P.G., Van de Kuilen, J.W., Lopes, S., Cruz, H., 2007. A non-linear 3D FEM model to simulate timber-concrete joints. Advances in Engineering Software 38:522–530.
- Šlapka, P. 2011. Numerická simulace chování spřažených dřevovláknobetonových konstrukčních prvků. ČVUT v Praze, Diploma thesis. Praha.
- Holschmacher, K., Klotz, S., Weise, D. 2002. Application of steel fibre reinforced concrete for timber-concrete composite constructions. Lacer No. 7.2002: 161–170.
The subject of this paper is a comparison of two experiments of timber-fibre concrete floors in fire, which consist of steel fibre reinforced concrete boards and glue-laminated timber beams. Main aim of this project is to assess the using of steel fibre reinforced concrete board, which work together with glue-laminated timber beams to increase fire resistance and investigate its behaviour in loaded construction.
