6 Navrhování zděných konstrukcí na účinky požáru

Transkript

1 6 Navrhování zděných konstrukcí na účinky požáru 6.1 Úvod Navrhování stavebních konstrukcí na účinky požáru je nezbytnou součástí projektové dokumentace. Zděné konstrukce, které jsou užívané na nosné i výplňové stěny, plní často funkci požárních dělicích stěn; požární návrh je tedy velmi důležitý. V projekční praxi se navrhováním objektů a konstrukcí na účinky požáru zabývají projektanti, kteří se na tuto problematiku specializují. Tato příručka je však určena jako pomůcka pro statiky a proto tuto kapitolu věnujeme jen stručnému popisu způsobu navrhování zděných konstrukcí na účinky požáru a podrobnosti ponecháme pro jinou publikaci. Každá konstrukce, která může být vystavena požáru, musí být navržena jak na účinky zatížení za běžných teplot, tak na účinky požáru. Pro zajištění požární bezpečnosti staveb se navrhují prvky pasivní nebo aktivní požární ochrany, případně jejich kombinace. Aktivními prvky jsou např. samočinná hasicí zařízení, požární detektory a signalizace, zařízení pro odvod kouře a tepla. Z hlediska pasivní ochrany se navrhuje dělení konstrukce na požární úseky a posuzuje požární odolnost nosných i nenosných prvků a konstrukcí. Pro zajištění požární bezpečnosti při namáhání požárem se konstrukce posuzují z hlediska splnění dvou základních funkcí nosné a dělicí. Požární odolnost se požaduje po určitou dobu (30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, případně 360 minut), určenou podle typu objektu a jeho jednotlivých částí (např. únikové cesty, dělení objektu na požární úseky). Uvedená doba je stanovena zejména s ohledem na možnou evakuaci při požáru. Pro splnění nosné funkce musí být konstrukce navrženy a provedeny tak, aby splňovaly požadavky únosnosti kritérium R, případně též mechanické odolnosti (kritérium M odolnosti rázu) po celou požadovanou dobu požární odolnosti, případně po celou dobu trvání požáru. Splnit dělicí funkci znamená zabránit předčasnému zřícení konstrukce a zamezit šíření požáru (plameny, horké plyny, přebytečné teplo) mimo navržené prostory. Z těchto hledisek jsou definovány požadavky celistvosti kritérium E a tepelně izolační kritérium I. Průběh požáru v objektu závisí na typu a materiálu prvků nosných i kompletačních konstrukcí, dále na množství a hořlavosti zařízení a uskladněných materiálů. Časový průběh teplot při požáru může být tedy velmi rozdílný. Jedná se o průběh teplot v jednotlivých fázích, tj. fázi rozvoje požáru, plně rozvinutého požáru a dohořívání, což závisí též na dalších parametrech, např. přístupu vzduchu a odvětrání v průběhu požáru. Časové závislosti teplotní křivky požáru jsou při ověřování požární odolnosti voleny jako nominální nebo parametrické. Ověření požadované požární odolnosti prvků, částí konstrukce nebo celé konstrukce se prokazuje experimentálními zkouškami nebo výpočtem. Provedení a vyhodnocení zkoušek je obtížné a též finančně náročné. Užívá se při vývoji a ověřování nových materiálů pro konstrukce a zejména materiálů pro zvýšení požární odolnosti konstrukcí (protipožární nátěry, obklady apod.). Při výpočtech je třeba provádět teplotní analýzu a mechanickou analýzu. Pro výpočty je nutno znát vlastnosti materiálů v závislosti na teplotě, jedná se o teplotní závislosti pevností i přetvárných vlastností materiálů a tepelné vlastnosti teplotní roztažnost, měrné teplo, tepelnou vodivost, povrchovou emisivitu tepla. Z uvedeného vyplývá, že ověření požární odolnosti konstrukcí je složité a pracné, nemožné bez znalosti mnoha materiálových parametrů i dalších vstupních hodnot. Projektantům situaci usnadňují normy pro navrhování konstrukcí na účinky požáru. 67

2 6.2 Normy pro navrhování konstrukcí na účinky požáru a základní podmínky spolehlivosti V soustavě evropských norem pro navrhování konstrukcí je též součástí každé skupiny norem pro určitý materiál (beton, ocel, dřevo, zdivo) i část věnovaná problematice požární odolnosti, označená vždy jako část 1.2 příslušné normy. Ustanovení norem se zabývají pouze pasivními metodami požární ochrany, tj. dimenzováním odpovídající únosnosti stavebních konstrukcí a jejich částí, což je nezbytné pro zajištění podmínek bezpečné evakuace osob a provádění hasebního zásahu, a kde je to nutné, i pro omezení rozvoje požáru. Aktivní metody nejsou předmětem uvedených částí Eurokódů. Tyto části evropských norem pro navrhování konstrukcí na účinky požáru obsahují kromě zásad navrhování na účinky požáru jednoduché postupy ověřování požární odolnosti pomocí tabulkových hodnot a hodnoty materiálových vlastností v závislosti na teplotě. Hodnoty byly získány z rozsáhlých experimentů a umožňují projektantům ověřovat požární odolnost zjednodušenými metodami nebo pro výpočty s užitím přesnějších modelů využít v normě uvedené materiálové parametry. Zásady navrhování konstrukcí na účinky požáru vycházejí ze společných ustanovení základní evropské normy EN 1990 Zásady navrhování, zavedené v ČR jako ČSN EN 1990 [1] a norem pro zatížení EN 1991, zejména části 1.2 v ČR zavedená jako ČSN EN [3]. Pro splnění nosné funkce prvku nebo části konstrukce musí být po celou dobu požárního namáhání prokázáno, že hodnota účinku zatížení je menší než únosnost posuzovaného prvku v požární situaci. V soustavě evropských norem je podmínka spolehlivosti vyjádřena vztahem: E d,fi R fi,t,d (6.1) kde E d,fi je návrhový účinek (hodnota příslušné síly nebo momentu) při požární návrhové situaci stanoven podle [3], včetně účinků plynoucích z teplotního roztažení a deformace; R fi,t,d návrhová hodnota únosnosti prvku při požární situaci v čase t. Požární situace je uvažována jako mimořádná návrhová situace. Proto se při posouzení konstrukcí pravděpodobnostními metodami (resp. polopravděpodobnostní metodikou užitou v evropských normách pro navrhování konstrukcí) stanoví návrhové účinky zatížení při požáru jako hodnoty redukované. Účinky zatížení se stanoví pro čas t = 0 s pomocí součinitelů kombinace podle [3]. Výpočet součinitelů je možno nahradit zjednodušeným stanovením vlivu součinitelů kombinace na návrhovou hodnotu účinku zatížení pro požární situaci E d,fi jako redukci účinku zatížení E d z návrhu pro běžné teploty takto: kde E d E d,fi = η fi E d (6.2) η fi je návrhová hodnota příslušné síly nebo momentu při běžné teplotě ze základní kombinace zatížení; redukční součinitel pro úroveň návrhového zatížení při požární situaci. Stanovení redukčního součinitele η fi pro kombinaci zatížení se nalezne v evropských normách pro navrhování konstrukcí. Pro zjednodušení je možné použít hodnoty doporučené normami pro navrhování konstrukcí z jednotlivých materiálů na účinky požáru, pro zděné konstrukce je hodnota η fi = 0,65, s výjimkou užitného zatížení objektů kategorie E (prostory 68

3 pro skladování a průmyslovou činnost), pro které je doporučena hodnota η fi = 0,7. Tyto hodnoty umožní sice zjednodušení výpočtu, jsou však značně konzervativní, zpřesněným postupem můžeme získat výrazně menší a tedy úspornější hodnoty redukčního součinitele. Pro zděné konstrukce platí ČSN EN [9]. 6.3 Návrhové postupy k ověření požární odolnosti zděných konstrukcí Zásady navrhování Obecně je zdivo materiálem nehořlavým. Pod pojem zdivo se však řadí celá řada materiálů různých vlastností, a to nejen z hlediska pevnosti, přetvárných vlastností, izolačních schopností, trvanlivosti, ale i požární odolnosti. Podle použitých zdicích prvků, malty a konkrétního provedení má zdivo velmi rozdílnou schopnost zachovat nosnou funkci při vyšších teplotách i plnit dělící funkci zabráněním šíření požáru po určitou dobu. Proto jsou pro projektanty velmi cenné postupy a materiálové hodnoty uvedené v normě [9]. Norma [10] platí pro navrhování zděných konstrukcí při mimořádné situaci účinkem požáru a je určena pro užití společně s normami pro navrhování zděných konstrukcí [8], [10], [11] a základní normou pro zatížení konstrukcí účinkem požáru [3]. Vztahuje se na konstrukce a jejich části, které byly podle norem [8], [10], [11] navrženy a provedeny. To mimo jiné znamená, že se vztahuje pouze na zdivo ze zdicích prvků uvedených v [8], nevztahuje se tedy na zdivo z přírodního kamene. Zatřídění zdicích prvků do skupin 1, 2, 3, 4 podle objemu otvorů (viz tab. 1) doplňuje norma [9] o skupinu 1S, Do této skupiny se zařazují prvky s minimálním objemem dutin, což je z hlediska požární odolnosti zdiva důležitý parametr a umožňuje to pro zděné konstrukce s uvedenými zdicími prvky stanovit zvláštní kritéria. Do skupiny 1S patří zdicí prvky obsahující méně než 5 % (objemových) dutin; navíc mohou tyto zdicí prvky obsahovat vruby v ložné ploše (např. vybrání, úchytné prohlubně nebo drážky), které budou v hotové stěně vyplněny maltou. Při posouzení se uvažují pouze vlivy tepelných deformací jako důsledek rozložení teplot napříč průřezem. Vlivy teplotního roztažení v ose zděného pilíře nebo rovině stěny je možné zanedbat. Předpokládá se, že okrajové podmínky uložení stavebního prvku, se při namáhání požárem nezmění. Posouzení požární odolnosti zděné konstrukce je možné provést: zkouškou konstrukce, použitím tabulkových hodnot, výpočtem, a to posouzením prvku, části konstrukce nebo celé konstrukce. Pro posouzení výpočtem jsou stanoveny zásady výpočetních metod s použitím jednoduchých a zpřesněných výpočetních modelů. Norma [9] uvádí též zásady řešení konstrukčních detailů. Detaily provedení zdiva nesmí snižovat požární odolnost stavební konstrukce, a proto je třeba správně navrhovat a provádět spoje a spáry zdiva i úpravy pro instalace potrubí a kabely. V normě jsou stanoveny přípustné rozměry svislých i vodorovných drážek vzhledem k celkové tloušťce zděné stěny a uvedena 69

4 pravidla pro provedení otvorů pro potrubí a kabely s rozlišením úprav pro nehořlavé a hořlavé materiály. V informativní příloze E jsou uvedeny příklady spojování stavebních prvků, které splňují požadavky. Jedná se o připojení nenosných stěn ke stropům a stěnám, spojení mezi nosnými a nenosnými zděnými prvky, spojení mezi nosnými zděnými stěnami a připojení zděných stěn k železobetonovým konstrukcím. Jsou rozlišeny případy připojení v případech, kdy jsou a kdy nejsou kladeny statické požadavky. Posouzení zkouškami Zkoušky pro posouzení požární odolnosti zděných konstrukcí je nutné provádět a vyhodnocovat podle příslušných EN. Zkoušky se mají provádět zejména tehdy, jestliže dosud není známa požární odolnost prvků, kterých má být použito (pro zdicí prvky s určitým procentem objemu otvorů, objemové hmotnosti a rozměrů, typ malty nebo kombinaci zdicích prvků a malty). Posouzení použitím tabulkových hodnot Tabulky pro posouzení zděných stěn jsou uvedeny v normativní Příloze B normy [9]. Tabulky umožňují jednoduché a rychlé posouzení zděných prvků. Použití tabulek je však postupem konzervativním, navrhování požární odolnosti výpočtem může vést k hospodárnějším výsledkům. Tabulky uvádějí v závislosti na jednotlivých parametrech zdiva nejmenší tloušťky zdiva, potřebné k dosažení požadované doby požární odolnosti. Pro nedělící nosné stěny o délce < 1,0 m jsou uvedeny nejmenší potřebné délky. Tabulkové údaje odpovídají normové závislosti teploty na čase při požáru podle ČSN EN Parametry v tabulkách jsou: materiál zdicích prvků, jejich zatřídění do skupin, objemová hmotnost, u prvků s vylehčením též součtová tloušťka vnitřních a vnějších žeber uváděná jako procento šířky prvku a dále druh malty (obyčejná, pro tenké spáry nebo lehká). Tabulky jsou uspořádány podle materiálu zdicích prvků a dále členěny podle funkce stěn (např. nenosné dělicí kritéria EI, nedělicí nosné kritérium R, dělicí nosné kritéria REI). Nejmenší tloušťka stěny uvedená v tabulkách zaručuje pouze požadovanou požární odolnost. Nejsou v ní zahrnuty požadavky na případné větší tloušťky potřebné z jiných důvodů, zejména statických podle normy [8] nebo vzhledem k zajištění odpovídajících akustických parametrů. Tloušťky uvedené v jednotlivých tabulkách představují tloušťku samotné zděné stěny bez povrchových úprav. První z dvojice řádků stanoví hodnoty pro stěny bez povrchové úpravy. Hodnoty v závorkách ve druhém z dvojice řádků, platí pro stěny s povrchovou úpravou. Tloušťky stěn uvedené v tabulkách pro nenosné stěny (tj. pro kritéria EI nebo EI-M) jsou platné pouze pro stěny, jejichž poměr výšky ku tloušťce je menší než 40. Norma [9] uvádí, že tabulkové hodnoty, které je možno užít pro posouzení požární odolnosti, nejsou ovlivněny výklenky a drážkami ve zdivu, pokud jejich rozměry nepřekračují přípustné hodnoty podle [8], při nichž není třeba samostatné posouzení únosnosti oslabené oblasti. Posouzení výpočtem Principem metody výpočtu při užití jednoduchého výpočetního modelu podle přílohy C normy [9] je vymezení nenosné oblasti a zbytkového průřezu zdiva v závislosti na rozložení teplot v průřezu. Jednoduchý model se vztahuje na zděné stěny a pilíře při normovém požárním namáhání. Pro výpočet mezního stavu únosnosti se uvažuje pouze zbytkový průřez (viz obr. 36), rozložení teplot je možné stanovit využitím grafů uvedených pro vybrané materiály v normě [9]. 70

5 Obr. 36 Příčný průřez požárně namáhaného sloupu s reálnými a s upravenými izotermami při teplotách do θ 1, mezi θ 1 a θ 2 a nenosných oblastí průřezu (teploty nad θ 2 ) Posouzení se pak provede ověřením podmínky spolehlivosti N Ed N Rd,fi (θi) (6.3) Návrhová hodnota svislé únosnosti stěny nebo sloupu je dána vztahem N Rd,fi(θi) = Φ ( f dθ A 1 θ + f 1 dθ A 2 θ ) 2 (6.4) kde A je celková plocha (průřezu) zdiva; A θ 1 plocha zdiva až k izotermě θ 1 (viz obr. 36); A θ 2 plocha zdiva mezi izotermami θ 1 a θ 2 (viz obr. 36); θ 1 teplota, do které je možné použít pevnost zdiva při běžných teplotách (viz tab. 21); θ 2 teplota, nad kterou materiál nemá žádnou zbytkovou pevnost (viz tab. 21); N Ed návrhová hodnota normálové síly od svislého zatížení; N Rd,fi(θi) návrhová hodnota únosnosti při požární situaci; f dθ 1 návrhová pevnost v tlaku zdiva při teplotě menší nebo rovné θ 1 ; f dθ 2 návrhová pevnost v tlaku zdiva mezi teplotami θ 1 a θ 2 C vyjádřená jako dθ 1 c konstanta určená ze zkušebních křivek závislosti napětí-přetvoření při zvýšených teplotách; Φ redukční součinitel pro zohlednění štíhlosti a výstřednosti v polovině výšky stěny, určený podle normy [8] a navíc zohledňující výstřednost e θ ; výstřednost, vyvolaná změnou teploty napříč zdivem. e θ Výstřednost e θ, vyvolanou požárním namáháním, je možné pro potřeby jednoduchého výpočetního modelu určit z výsledků zkoušek nebo ze vztahů (6.5) nebo (6.6) 1 2 at ( θ2 20) hef e θ = hef (6.5) 8 t 20 Fr e θ = 0 při působení požáru ze všech čtyř stran (6.6) kde h ef je účinná výška stěny; a t součinitel teplotní roztažnosti podle normy [8]; 20 ºC teplota předpokládaná na straně odvrácené od požáru; t Fr tloušťka příčného průřezu, jehož teplota nepřekročí θ 2. 71

6 Tab. 21 Hodnoty teplot θ 1 a θ 2 pro různé materiály zdiva Zdicí prvky a malty (neomítané povrchy stěn) Teplota C θ 2 θ 1 Cihly s obyčejnou maltou Vápenopískové zdicí prvky s maltou pro tenké spáry Zdicí prvky z betonových tvárnic s pórovitým kamenivem s obyčejnou maltou Zdicí prvky z betonových tvárnic s hutným kamenivem s obyčejnou maltou Zdicí prvky z pórobetonových tvárnic s maltou pro tenké spáry Při užití zpřesněných výpočetních modelů se má na základě obecných fyzikálních zákonitostí spolehlivěji vyjádřit předpokládané chování konstrukčních prvků v podmínkách požáru. Tato metoda má obsahovat výpočetní postupy pro stanovení průběhu a rozložení teplot ve stavebním prvku (model tepelného posouzení) a posouzení mechanického chování nosné konstrukce nebo jejich částí (výpočetní model mechanické odezvy). Metodu lze použít ve spojení se všemi známými teplotními křivkami požáru, pokud jsou známy vlastnosti materiálů pro příslušný rozsah teplot a dynamika zahřívání. Ve výpočetním modelu tepelného posouzení se mají vzít v úvahu příslušné tepelné účinky stanovené v normě [9] a vlastnosti materiálů v závislosti na teplotě. Tyto vlastnosti mohou být stanoveny z výsledků zkoušek, pro vybrané materiály jsou uvedeny v příloze D normy [9]. 72