Diagnostika stropní konstrukce poškozené požárem
Stropní konstrukce systému Hurdis využívá působení ocelového nosníku, keramických stropních vložek a betonu – tedy materiálů s rozdílným chováním při vystavení požáru. Příspěvek se zabývá rozborem chováním jednotlivých prvků stropní konstrukce ovlivněné vysokými teplotami. Poznatky jsou aplikovány na příkladu posouzení stropní konstrukce skladové haly zasažené požárem.
1. Úvod
Příspěvek popisuje metodiku hodnocení stropní konstrukce systému Hurdis. Systém pro přenos zatížení využívá účinků při požáru nekompatibilních prvků – ocelového nosníku, keramických stropních vložek a betonové desky. Změna charakteristik těchto materiálů v důsledku vystavení vysokým teplotám je popsána v úvodních odstavcích. Další prostor je pak věnován praktické aplikaci těchto poznatků při hodnocení stropní konstrukce v požárem postiženém objektu.
2. Chování prvků stropu při požáru
Působení vysokých teplot vyvolávají v betonu fyzikálně-chemické změny, které mají za následek degradaci materiálu spojenou s redukcí mechanických vlastností betonu. S rostoucí teplotou jsou z cementové matrice postupně odstraňovány všechny formy vody. Dehydratace CSH sloučenin způsobuje smršťování cementové matrice a významně redukuje její vazebné schopnosti. Navíc odpařující se voda přeměnou na páru expanduje a zvyšováním pórových tlaků přispívá k namáhání betonu. Oproti cementové matrici kamenivo naopak s rostoucí teplotou nabývá na objemu. Míra tepelných deformací je určena mineralogickým složením kameniva, kdy uhličitanová kameniva (vápence a dolomity) jsou stabilní do 600 °C a křemičitanová kameniva odolávají teplotám asi do 550 °C. Teplotní nekompatibilita smršťující se cementové matrice a expandujícího kameniva má za následek vznik trhlin na rozhraní těchto fází.
Norma pro navrhování betonových konstrukcí na účinky požáru ČSN EN 1992-1-2 stanovuje snížení charakteristické pevnosti betonu v tlaku pro běžné betony s teplotně odolnějším vápencovým kamenivem při teplotách 300 °C o 15 %, při teplotách 400 °C o 25 %, při teplotách 500 °C o 40 %, při teplotách 600 °C o 55 % a při teplotách 700°C o 70 %. Pro teplotně odolnější betony s vápencovým kamenivem bude charakteristická pevnost betonu snížena o 9 % při teplotách 300 °C, o 15 % při teplotách 400 °C, o 26 % při teplotách 500 °C, o 40 % při teplotách 600 °C a o 57 % při teplotách 700 °C. Schopnost betonu odolávat zvýšeným teplotám je také významně ovlivněna rychlostí nárůstu teplot, dobou jejich působení a způsobem ochlazování (hašení) konstrukce.
O únosnosti ocelové konstrukce vystavené požáru rozhoduje ohřátí prvku na tzv. kritickou teplotu. Jedná se o teplotu, při které se únosnost prvku rovná účinkům působících zatížení. Nárůst zatížení nad tuto úroveň by vedl ke kolapsu prvku. Kritická teplota ocelové konstrukce je dána především stupněm využití prvku při běžných teplotách.
Pevnost konstrukční oceli se snižuje od zahřátí nad 400 °C. Dle ČSN EN 1994-1-2 je při navrhování konstrukcí na účinky požáru stanoveno snížení účinné meze kluzu konstrukční oceli při působících teplotách 500 °C o 22 %, při teplotách 600 °C o 53 % a při teplotách 700 °C o 77 %. Snížení účinné meze kluzu konstrukční oceli se předpokládá při působících teplotách 500 °C o 64 %, při teplotách 600 °C o 82 % a při teplotách 700 °C o 93 %. Ocel poškozená zahříváním po ochladnutí může znovu nabýt své původní materiálové charakteristiky, ovšem tepelná úprava z výroby trvale vymizí. Nedochází ani k návratu prvků do výchozí geometrie.
Pozoruhodné chování bylo prokázáno u ocelobetonových stropních konstrukcí. Zkoušky uskutečněné na reálných konstrukcích (např. v Cardingtonu, v Mokrsku a na Tongii University) prokázaly výrazně vyšší odolnost ocelobetonových stropů při požáru, než jaká byla uvažována pro samostatné prvky desky. Při určitých charakteristikách desky (obousměrně vyztužená deska, po obvodě kloubově podepřená, s poměrem stran do 1:2) v důsledku zvýšených teplot vzniká tahová membrána, která přispívá k celkové únosnosti desky při požáru. Zde má pozitivní vliv průhyb konstrukce, neboť membrána začíná působit až při průhybu 40 až 50 % tloušťky desky. Základní princip membránového působení spočívá v zachycení vodorovných tahových sil vznikajících ve vnitřní tažené eliptické části pomocí tlačeného prstence po obvodě desky.
Snížení meze kluzu betonářských ocelí válcovaných za tepla s ohledem na výrobní technologii kopíruje tendence snížení parametrů konstrukční oceli. Redukce účinné meze kluzu betonářské oceli zpracované za studena je stanoveno při teplotách 500 °C o 33 %, při teplotách 600 °C o 60 % a při teplotách 700 °C o 88 %, viz ČSN EN 1992-1-2.
Pro porušení železobetonové konstrukce je rozhodné snížení meze kluzu, kdy dochází k výraznému zvýšení deformací (u vodorovných nosných konstrukcí průhybů). Za jakou dobu trvání požáru se ocel zahřeje na kritickou teplotu, závisí především na teplotě, která vznikne požárem, a na tloušťce krycích vrstev betonu.
Ověřování odolnosti keramických prvků vůči účinkům vysokých teplot nebylo věnováno příliš pozornosti, neboť s ohledem na výrobu keramických výrobků a teplotu při výpalu až okolo 1000 °C se neočekává snížení mechanických parametrů při běžných požárech. K negativním projevům keramického střepu vystaveného vysokým teplotám však může docházet v důsledku jeho dlouhodobé objemové nestálosti, kdy je vlivem přítomnosti jílových minerálů v keramické směsi materiál přijímána voda. Zahřívaná voda v pórech materiálu expanduje a může způsobovat parazitní vnitřní pnutí.
3. Stavebně technický průzkum stropní konstrukce
Za účelem zhodnocení aktuálního stavebně-statického stavu vodorovných nosných konstrukcí části skladového objektu v Brně byly realizovány diagnostické práce Objekt byl v srpnu 2015 poškozen požárem. Následně byly významně poškozené konstrukce provizorně sanovány.
Posuzovaný objekt je součástí seskupení budov. Hlavní budova je třípodlažní nepodsklepená, v 1. NP se nachází skladové prostory, vyšší patra jsou využívána jako kanceláře, jídelna a další. Na sklad navazuje jednopodlažní skladová hala. Celý objekt tvarem svého půdorysu připomíná písmeno L. Ke skladové hale byla v polovině 90. let 20. století přistavěna další část haly pro skladování.
Zájmovou oblast budovy tvoří především sklad v 1. NP hlavní budovy, kde působil požár. Ve skladu tvoří svislé nosné konstrukce ocelové sloupy s I profily v místě hlavice, kolem které byla po požáru přivařena ocelová krabice. Na sloupy jsou uloženy mohutné ocelové I nosníky, které podpírají další části stropní konstrukce. Ta byly původně tvořena hurdiskami uloženými do ocelových I nosníků. Kvůli popraskání hurdisek však strop musel být již dříve sanován a v současnosti je stropní konstrukce tvořena ocelovými nosníky s nadbetonovanou deskou.
3.1 Metodika hodnocení stavu stropní konstrukce
Pro odhadnutí kondice hodnocené části objektu a rozpoznání problematických oblastí konstrukce bylo nutné provedení prvotní prohlídky zasaženého objektu. Po prvotní prohlídce objektu ze dne 3. listopadu 2015 pro hodnocení vlivu účinků požáru na stav dotčené stropní konstrukce nad 1. NP byly navrženy tyto diagnostické metody:
- podrobná vizuálně defektoskopická prohlídka,
- otevření diagnostické sondy stropu nad 1. NP pro určení skladby vodorovné nosné konstrukce,
- odběr jádrových vývrtů pro stanovení mechanických parametrů betonu stropu a ověření skladby stropu nad 1. NP,
- odběr vzorku z ocelového profilu nosné stropní konstrukce nad 1. NP pro stanovení mechanických parametrů konstrukční oceli.
3.1.1 Podrobná vizuálně defektoskopická prohlídka
Naplánovaná podrobná vizuálně defektoskopická prohlídka byla realizována dne 4. prosince 2015. Provedením vizuálně defektoskopické prohlídky stropní konstrukce nad 1. NP byly zjištěny směrodatné informace uvedené v následujících odstavcích.
Hurdisky jsou včetně úložných patek výrazně popraskané, na konstrukci už působí pouze jako mrtvá tíha bez nosné funkce. Tato porucha ovšem nebyla způsobena požárem. Na stropní konstrukci je zřejmý pokus o rekonstrukci původního stropu sestaveného z desek Hurdis s šikmými čely (CSD HURDIS 2, výška 80 mm) uložených do patek (CSD HURDIS 2pa), které jsou nasazené na dolní příruby ocelových profilů I 220, viz Obr. 1. Rekonstrukce popraskaného stropu spočívala v zachycení spodního líce stropu KARI sítí 100×100 mm průměru 8 mm připevněných pomocí ocelových L profilů kotvených svarem k přivařenému ocelového přípravku na nosný profil I 220 s šířkou pásnice 98 mm. L profily jsou rozmístěny po pravidelných vzdálenostech 500 mm, viz Obr. 2a. Kotevní ocelové L profily jsou vlivem vysoké teplotní roztažnosti oceli značně deformovány a přibližně u poloviny profilů došlo vlivem požáru k uvolnění svarového spoje zajišťující kotvení k nosníku I 220, viz Obr. 2b. V řadě případů si KARI síť splnila svoji funkci a i přes její mírné průhyby si na ni hurdisky dosedly, případně síť zachytila odpadávající segmenty desek. Z horního líce stropu je patrný průhyb stropní konstrukce v maximálních hodnotách cca 50 mm.
Obrázek 1.: Svislá nosná konstrukce v 1. NP a pohled na provizorní statické zajištění, pohled na hodnocenou stropní konstrukci nad 1. NP
Obrázek 2.: Stropní konstrukce nad 1. NP (sanace proběhla již před požárem); a) pohled; b) detail kotvení prvků nesoucích kari sítě pro zachycení dříve porušeného hurdiskového stropu
3.1.2 Otevřené diagnostické sondy
Dalším krokem stavebně technického průzkumu bylo otevření diagnostické sondy, ke kterému došlo dne 16. prosince 2015 (spolu s odběrem všech vzorků konstrukcí).
Skladba vodorovné nosné konstrukce nad skladem v 1. NP byla zjišťována kombinací otevřené sondy a jádrových vývrtů (více o jádrových vývrtech níže). Sonda S1 byla otevřena z horního líce stropní konstrukce v chodbě v 2. NP, viz Obr. 3. Fotodokumentace sondy se nachází v Obr. 4. Otevřená sonda stropem odhalila soudržné souvrství betonu a potěru. Beton byl vyztužen KARI sítí mírně odkloněnou od vodorovné roviny, lze očekávat, že síť plní funkci jak horní tak i dolní výztuže. (Následný jádrový vývrt prokázal horní a dolní vrstvu kari sítí). Dále je ze sondy patrná vrstva polystyrenu, která však z větší části vlivem vysokých teplot vysublimovala. Pod dutinou po polystyrenu se nachází vrstva cementového potěru překrývající hurdisku. Rozměry jednotlivých vrstev stropu nad 1. NP jsou určeny z jádrových vývrtů. Schéma skladby stropní konstrukce je uvedeno v Obr. 5.
Obrázek 3.: Schéma stropní konstrukce nad 1. NP: S – otevřená sonda, V – jádrové vývrty a O – odběrové místo
Obrázek 5.: Schéma typické skladby stropní konstrukce nad 1. NP
Obrázek 4.: Otevřená diagnostická sonda S1 podlahou v chodbě v 2. NP; a) pohled do otevřené sondy S1 včetně lokalizace na chodbě ve 2. NP (patrné soudržné souvrství vrchního cementového potěru a betonu, dále vzduchová kapsa s částečnými zbytky nevysublimovaného polystyrenu, pod kterou se nachází další vrstva cementového potěru a keramická stropní deska, beton je vyztužen kari sítí); b) souvrství stropní konstrukce spolu s ocelových I nosníkem
3.1.3 Odběr jádrových vývrtů
Pro stanovení pevnostních parametrů betonu stropní konstrukce ve skladu nad 1. NP byly odebrány 3 jádrové vývrty z horního líce stropu v oblasti chodby v 2. NP, viz půdorys 2. NP na Obr. 3. Detail vývrtů a odběrových míst viz Obr. 6.
a)
b)
Obrázek 6.: Jádrové vývrty; a) odebrané jádrové vývrty V1 až V3 z konstrukce stropu nad 1. NP; b) detail otvoru po jádrovém vývrtu V3
Z odebraných jádrových vývrtů bylo vyrobeno celkem 5 zkušebních těles, která byla podrobena laboratorní zkoušce pevnosti betonu v tlaku. Podle výsledků provedených zkoušky byl beton spřažené ocelobetonové stropní konstrukce nad 1. NP klasifikován do pevnostní třídy C 16/20.
Dále byla z odebraných jádrových vývrtů určena skladba stropní konstrukce nad 1. NP. Nosná část stropu je tvořena železobetonovou deskou o tloušťce 110 mm spřaženou s ocelovým profilem I 220. Balastní vrstvu na spodním líci tvoří deska Hurdis s šikmými čely (CSD HURDIS 2, výška 80 mm) s vrstvou cementového potěru tl. 50 mm. Na potěru je položeno 50 mm polystyrenu, který ale vlivem působení vysokých teplot při požáru z části konstrukce stropu zcela vysublimoval. Další vrstva je beton mocnosti 110 mm. Vývrt V1 vedený nad I profilem prokázal, že z uvedených 110 mm betonu je 50 mm uloženo nad úrovní ocelového nosníku (viz obr. P1.18 a P1.19a,b). Vrstva potěru tl. 30 mm a dlažba na lepidle tl. 10 mm uzavírá horní povrch skladby stropu nad 1. NP. Celková skladba stropu je uvedená na Obr. 5.
3.1.4 Odběr vzorku ocelového profilu
Stropní konstrukce nad požárem postiženým skladem v 1. NP je tvořena také ocelovým profilem I 220. Stav nosníku po požáru naznačila již provedená vizuálně defektoskopická prohlídka, kdy nebyly zaznamenány významné průhyby nosníků. Vzorek I profilu pro stanovení mechanických parametrů konstrukční oceli byl odebrán úhlovou bruskou z dolní pásnice nosníku v místě označeném ve schématu na Obr. 3 jako O1. Odebraný vzorek byl upraven na zkušební těleso a poté byla provedena laboratorní zkouška tahem. Výsledkem zkoušky oceli profilu I 220 jsou především hodnoty meze pevnosti 398 MPa a meze kluzu 294 MPa.
3.2 Hodnocení rozsahu poškození
Provedený stavebně-technický průzkum odkryl především následující zjištění:
- Nosnou konstrukci stropu nad 1. NP tvoří spřažená ocelobetonová konstrukce. Betonová deska je vybudována z betonu pevnostní třídy C 16/20 a je spojena s ocelovým profilem I 220 s mezí pevnosti 398 MPa a mezí kluzu 294 MPa. Betonová deska je vyztužena horní a dolní vrstvou kari sítě. Požár neměl na ocelobetonovou stropní konstrukci negativní vliv.
- Původní hurdiskový strop nad 1. NP byl již před požárem nefunkční, a proto byl sanován. Zbytky desek hurdis působí na stropní konstrukci už pouze jako přitěžující vrstva bez příspěvku k celkové únosnosti předmětné stropní konstrukce. Ocelové L profily, které spolu s kari sítí tvořily původní statické zajištění podhledových vrstev stropu, již nejsou dostatečně kotveny k nosné stropní konstrukci.
- Stropní konstrukce nad 1. NP je účinkem požáru mírně prohnutá. Průhyby však neomezují statickou funkci stropu.
- V konstrukci stropu nad 1. NP vznikla účinkem vysokých teplot při požáru vzduchová kapsa o mocnosti až 50 mm. Stalo se tak důsledkem sublimace části vrstvy polystyrenu mezi dvěma vrstvami potěru.
S ohledem na požadovaný rozsah průzkumných prací nelze přesněji specifikovat rozsah poškození prvků stavební konstrukce.
3.3 Navrhovaná opatření
Na základě závěrů diagnostického průzkumu bylo pro zajištění dlouhodobé mechanické odolnosti, stability a bezpečnosti hurdiskové stropní konstrukce nad 1. NP objektu postiženého požáru navržena níže uvedená opatření. Především je však při stavebních pracech nutno zvolit vhodnou návaznost na zajištění dalších stavebních konstrukcí v předmětném objektu, které ale s ohledem na rozsah nejsou předmětem tohoto příspěvku (více viz [17]).
- Poškozené spodní vrstvy hurdiskové konstrukce budou staticky zajištěny torkretovaným betonem z dolního líce.
- Po podepření stropní konstrukce budou odstraněny spodní vrstvy stropu degradované požárem – KARI sítě pro zadržení tvarovek Hurdis, tvarovky Hurdis, betonový potěr a polystyrén.
- Mezi I nosníky bude postupně po úsecích vkládána KARI síť 150/150/4,5 přímo na očištěný dolní líc horní betonové stropní desky. Síť se u I nosníku ohne zaklenutím a opře se o spodní přírubu I nosníku, ke kterému se zafixuje bodovými svary.
- Následně se provede nástřik torkretovaného betonu C20/25 v tloušťce 30 mm na dolní líc stávající betonové desky. U I nosníků se vyplní a zmonolitní celý prostor mezi nosníkem a betonovou deskou.
- Pro zajištění tuhosti stropního systému budou spodní pásnice I nosníků propojeny výztuhami z tyčových prvků (např. pásnice 5/10), spoj bude proveden svarem.
4. Závěr
Příspěvek poukázal na problematiku hodnocení stavebních konstrukcí poškozených požárem, který může mít za následek nevratná poškození materiálů konstrukce. Výsledky provedeného diagnostického průzkumu umožnily po odstranění balastních vrstev stropu zajištění hurdiskové stropní konstrukce torkretováním, a to bez navýšení původní vlastní tíhy konstrukce. Přitom před provedením stavebně technického průzkumu se stropní konstrukce jevila spíše vhodná k odstranění. Porovnáním nákladů na celkovou výměnu stropu s výše uvedenými stavebními úpravami lze očekávat významnou úsporu výdajů.
Poděkování
Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Literatura
- Výkresová dokumentace rekonstrukce a přístavba skladové haly, Brno, 08/1995
- Zákon č. 183/2006 Sb. o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon)
- Vyhláška MMR č. 268/2009 Sb. O obecných technických požadavcích na výstavbu
- ČSN ISO 13822 (73 0038): Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí
- ČSN 73 0038 (730038): Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí – Doplňující ustanovení
- ČSN EN 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby
- ČSN EN 1994-1-2 Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
- ČSN EN 1991-1-2 Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru
- ČSN 72 2642 Cihelné výrobky po vodorovné konstrukce – Hurdisky, 2003
- ČSN 73 1105 Navrhování a provádění hurdiskových stropů, 2003
- A. Lílek, L. Grenčík, V. Novák – Betonové konstrukce, SNTL, 1985
- M. Rochla – Stavební tabulky, STNL 1987
- P. Bayer, B. Teplý, P. Rovnaníková, B. Kucharczyková, P. Schmid – Vliv kameniva na šíření vysokých teplot v betonu, Beton TKS, 6/2011
- M. Beneš, R. Štefan – Povrchové odštěpování betonových konstrukcí při požáru, Stavební obzor, 6/2011
- P. Schmid. Praktické aspekty diagnostiky stavebních konstrukcí: Practical aspects of structural diagnostics on civil constructions: zkrácená verze habilitační práce. Brno: VUTIUM, 2011. ISBN 978-80-214-4327-3
- F. Wald a kol. – Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT, Praha, 2005
- I. Both, F. Wald, R. Zaharia – Benchmark for numerical analysis of steel and composite floors exposed to fire using a general purpose FEM code. Journal of Applied Engineering Science, č. 2, ročník 14, 2016
- J. Bednář, F. Wald – Požární odolnost ocelobetonových stropů, ČVUT, Praha, 2011
- J. Kubanek – SARON KAT s.r.o. Návrh stavebních opatření za účelem statického zajištění konstrukčních prvků a celků v objektu postiženém požárem. Brno. 2016
The floor system structure HURDIS is composed of a steel beam, of floor ceramic elements and of concrete. There are materials with different behavior in fire exposition. The paper deals with the analysis of the behavior of individual elements of floor structures affected by high temperatures. Knowledge is applied to the example of the assessment of the floor structure of the storehouses damaged by fire.
