Určování stavu železobetonových a předpjatých konstrukcí zasažených zvýšenými teplotami
Článek se věnuje rozboru vlivu chování konstrukcí po požáru. V první části jsou popsány změny materiálových charakteristik betonu, betonářských výstuží a předpínacích výstuží s naznačením základních konstrukčních problémů při používání uvedených materiálů. Druhá část popisuje příklad stavebně technického průzkumu skladového objektu, který byl zasažen požárem.
Tento příspěvek se zaměřuje na vliv působení vysokých teplot na stav železobetonových a předpjatých betonových konstrukcí. Požár je jednou z nejčastějších příčin pro sanace a rekonstrukce po celou dobu životnosti budovy. Před zahájením sanačních a rekonstrukčních prací je nutné posoudit stavebně-technický stav konstrukce [1]. Proto je nezbytné znát fyzikálně-chemické změny probíhající v betonu důsledkem působení požáru. Změny ve struktuře materiálu pak vedou ke změnám mechanických parametrů. Degradace betonu začíná již při teplotách okolo 300 °C. Pro únosnost celé konstrukce je však často rozhodujícím faktorem betonářská a předpínací výztuž, která dosahuje kritických teplot dříve, než je beton závažně poškozen. Článek pojednává o stavu vybraných stavebních materiálů poškozených zvýšenými teplotami. Tyto obecné poznatky jsou aplikovány na příkladu posouzení skladového objektu z dutých stropních panelů po požáru. Hlavním problémem se ukázala být stropní konstrukce, která byla sestavena z předpjatých stropních panelů. Výplň podélných spar mezi deskami se rozpadla, byly odstěpeny spodní povrchy desek a bylo redukováno předpětí v předpínací výztuži. Závěrem byl navržen postup opravy konstrukce.
1. Úvod do problematiky
Požár je jedním z nejčastějších rizikových faktorů, kterým jsou v současnosti železobetonové a předpjaté konstrukce ohrožovány. Před samotným zahájením rekonstrukčních a sanačních prací objektu postiženého požárem je nutné posoudit jeho aktuální stavebně technický stav. Důsledky působení požáru na jednotlivé součásti nosných železobetonových konstrukcí jsou ovlivňovány širokou řadou faktorů, mezi nejvýznamnější se řadí doba teplotního namáhání, vlhkost betonu, druh kameniva použitého v betonu a mineralogické složení betonu. Vedle materiálových charakteristik je výsledné chování konstrukce po požáru ovlivněno i typem použité konstrukce. Konstrukce zatěžovaná zvýšenou teplotou nabývá na objemu v důsledku teplotní roztažnosti. Pokud konstrukční řešení objektu tyto deformace neumožňuje a brání jim, dochází k vzniku přídavných namáhání. Další z mimořádně nepříznivých účinků může vyvolávat hasební zákrok, kdy je během krátké doby na rozpálenou konstrukci vneseno velké množství chladného hasicího média (obvykle vody), což vede k dodatečným teplotním šokům [2, 3].
Zahříváním betonu narůstá objem kameniva a současně se smršťuje cementový tmel, který kamenivo obklopuje. Důsledkem těchto protichůdných procesů se vazba mezi cementovou matricí a kamenivem (tzv. přechodová fáze) stává nejslabším místem v zahřívaném kompozitním materiálu a beton je poškozován vznikem trhlin [4, 5]. Objemové změny cementové matrice a kameniva jsou následkem komplexu fyzikálně-chemických změn, které nastávají v betonu při teplotním zatěžování, nejvýznamnější změny jsou uvedeny v tab. 1.
| Teplota v betonu θ [°C] | Probíhající proces |
|---|---|
| 20–100 | Hydratací (přeměna volné vody na vodu vázanou) vzniká hydrosilikát vápenatý (CSH) a hydroxid vápenatý (Ca(OH)2, tzv. portlandit). |
| 100 | Počátek dehydratace cementové matrice – rozklad hydrátů a současné uvolňování volné vody. |
| 150 | Vrchol první fáze rozkladu CSH. |
| 200–300 | Uvolňování chemicky vázané vody. |
| 300–550 | Pokračující rozklad CSH a portlanditu způsobuje značný vývoj mikrotrhlin. |
| 550–600 | Počátek porušování kameniva, nejprve se porušuje kamenivo křemičité. |
| 700–750 | Nastává fázová přeměna křemene (výskyt v křemičitém kamenivu) z triklinické soustavy na soustavu hexagonální vedoucí k růstu objemu kameniva. Tento vliv spolu s rozdílnou teplotní roztažností kameniva a cementového tmele vede k porušení vazeb na stykových plochách mezi těmito dvěma fázemi. |
| 800 a více | Vrchol druhé fáze rozkladu CSH. |
| 900 | Transformace hydraulických vazeb v tmelu na vazby keramické. |
| 1000 a více | Dekarbonatace vápencového kameniva za vzniku oxidu uhličitého (CO2), rozpínající se plyn poškozuje strukturu betonu. |
| 1200 a více | Celkový rozklad cementového pojiva. |
![Obr. 1 Součinitel kc(θ) pro redukci charakteristické pevnosti betonu v tlaku fck při zvýšených teplotách podle Eurokódu 2 [7]](/docu/clanky/0154/015486o1.png)
Obr. 1 Součinitel kc(θ) pro redukci charakteristické pevnosti betonu v tlaku fck při zvýšených teplotách podle Eurokódu 2 [7]
Tyto fyzikálně-chemické změny mají významný efekt na únosnost konstrukce, neboť vysokou měrou redukují pevnostní parametry betonu, viz obr. 1 [7]. Je patrné, že první významné úbytky pevnosti nastávají už při dosažení teploty 300 °C. S rostoucími teplotami se projevuje vliv kameniva zvoleného do receptury betonu, protože téměř na celém teplotním rozsahu uvedeném v EN1992-1-2:2005 je patrný nižší stupeň degradace betonu s vápencovým kamenivem v porovnání s betonem s křemičitým kamenivem [7].
![Obr. 2 Součinitel ks(θ) pro redukci charakteristické pevnosti (fyk) betonářské výztuže a součinitel kp(θ) pro redukci charakteristické pevnosti (βfpk) předpínací výztuže při zvýšených teplotách podle Eurokódu 2 [7]](/docu/clanky/0154/015486o3.png)
Obr. 2 Součinitel ks(θ) pro redukci charakteristické pevnosti (fyk) betonářské výztuže a součinitel kp(θ) pro redukci charakteristické pevnosti (βfpk) předpínací výztuže při zvýšených teplotách podle Eurokódu 2 [7]
Pro nahrazení velmi omezené schopnosti betonu přenášet tahová zatížení v konstrukcích se běžně nosné prvky doplňují ocelovými výztužemi. Výztuž je chráněna betonovou krycí vrstvou, která zajišťuje spolupůsobení betonu s výztuží, chrání výztuž před vlivy okolního prostředí a v případě působení požáru na konstrukci chrání výztuž před účinky vysokých teplot [5]. Vysoké teploty způsobují protažení ocelových výztuží a ztrátu jejich pevnosti. Změny vlastností výztužných ocelí namáhaných vyššími teplotami mají pro konstrukci značný význam a stejně jako tepelná degradace betonu mohou vést k destrukci konstrukce. Ohřev výztuže ovlivní charakteristiky pracovního diagramu oceli, mezi které se řadí například mez kluzu, modul pružnosti, pevnost a mezní přetvoření. Snížení pevnostních parametrů výztuží je uvedeno v obr. 2 (pro předpínací výztuže jsou uvedeny parametry pro běžnější třídu A) [6, 7, 8, 9].
O únosnosti ocelových prvků konstrukce vystavené požáru rozhoduje ohřev prvku na tzv. kritickou teplotu. Jedná se o teplotu, při které se únosnost výztuže rovná účinkům působících zatížení. Nárůst zatížení nad tuto úroveň by vedl ke kolapsu prvku. Kritické teploty jsou ovlivněny především stupněm využití prvku bez tepelného zatížení, při vyšším využití prvku se kritická teplota snižuje. orientačně lze předpokládat, že se redukují meze pevnosti na polovinu pro:
- 500 °C pro betonářskou výztuž,
- 400 °C pro předpínací pruty,
- 350 °C pro předpínací lana a dráty.
Obvykle se konstrukce působením požáru nezřítí náhle, neboť konstrukce se redukcí modulu pružnosti materiálů postupně prohýbá. Deformace rostou spolu s teplotou. Ani po ochladnutí se deformovaná výztuž nevrátí do původního stavu, vysoké teploty způsobují trvalé deformace konstrukcí. Ztráty předpětí v konstrukci působením zvýšených teplot jsou nevratným procesem [10, 11, 12].
2. Metodika
Následující posouzení stavebně technického stavu nosné konstrukce skladového objektu postiženého požárem ukazuje příklad vlivu působení účinků vysokých teplot na železobetonové a předpjaté stavební konstrukce.
Pětipodlažní nepodsklepený objekt byl postaven přibližně před 35 lety, skeletový systém je tvořen v příčném směru čtyřmi poli 4 × 6 m a v podélném směru devíti poli po 6 m. Budova je v podélném směru dilatována zdvojenými sloupy. Konstrukční výška podlaží je 5,40 m. Primární konstrukční systém je tvořen nosnými rámy ze sloupů a průvlaků. Sloupy obdélníkového průřezu mají rozměry 400 × 900 mm pro vnitřní sloupy, a obvodové sloupy s průřezem 400 × 600 mm. Průvlaky výšky 900 mm jsou v úrovni 300 mm od horní hrany opatřeny konzolou pro uložení železobetonových zapuštěných stropních panelů. Spojení stropních panelů s konzolou průvlaku je realizováno prostým uložením. Stropní konstrukce je tvořena železobetonovými panely typu Spiroll PPD 558/313. Objekt se využívá ke skladovým účelům, v požárem poškozené části byly uskladněny především kartonové cívky uložené na dřevěných paletách. Původní projektová dokumentace dle technické zprávy uvažuje s užitným zatížením podlahových ploch 1500 kp/m2, hodnotě odpovídá zatížení 1,5 t/m2 [13, 14].
Podle vyjádření správce dotčeného areálu celý hasební zásah trval přibližně dvě hodiny. Jako hasební látku příslušníci hasičského záchranného sboru použili vodu v množství odhadovaném na 5 až 6 m3. Vývoj teplot při požáru ve skladovém objektu bohužel nebyl sledován. Jako příčina požáru byly identifikovány padající žhavé okuje vzniklé plamenným řezáním svislých potrubí v 2. nadzemním podlaží na cívky z kartonu a plastu a na dřevěné palety uskladněné v 1. NP pod tímto potrubím.
Stavebně technický průzkum objektu za účelem objektivního zhodnocení a posouzení aktuálního stavu požárem postiženého objektu je zde tvořen především vizuálně defektoskopickou prohlídkou zasažených částí budovy [13]. Pro upřesnění odhadovaných zbytkových pevností betonu byly odebrány vzorky betonu z předpjatých panelů Spiroll. S ohledem na velmi špatný stav materiálu nebylo možné z odebraných vzorků vyrobit zkušební tělesa [14, 15, 16].
3. Výsledky
Nálezy a zjištění vizuálně-defektoskopické prohlídky poukazující na tyto vady a poruchy konstrukčního systému hodnoceného objektu:
- Značná část předpjatých stropních panelů Spiroll nad 1. NP v místnosti nejvýrazněji zasažené požárem se vlivem celkové degradace a teplotních objemových změn zcela rozpadla, u ostatních panelů došlo k odštěpení povrchové vrstvy betonu a obnažení výztuže. Navíc se následkem teplotní roztažnosti rozvolnily podélné spáry mezi stropními panely. Zjištěné skutečnosti jsou dokumentovány na obr. č. 3a. Stropní panely v místnosti jsou v havarijním stavu. Došlo k přenosu vysokých teplot z tohoto prostoru přes okno do chodby a také opačným směrem.
- Obdobný způsob a míru poškození jako panely v sousedící nejvíce zasažené místnosti byl zjištěn i pro stropní panely nad 1. NP v druhém poli chodby od vstupu do objektu. Značné plochy panelů jsou odprýskané, byla odhalena předpínací výztuž, podélné spáry mezi panely jsou silně popraskané a rozvolněné. Navíc zde lze pozorovat výrazné průhyby panelů a vytržení části předpínací výztuže z panelů (viz obr. č. 3b).
- Trojpolí sousedící s nejvýznamněji poškozenou oblastí při vizuálně-defektoskopické prohlídce nenaznačují závažné poruchy, jako tomu bylo ve vedlejších polích, avšak z důvodu působení zvýšených teplot se očekává mírné snížení pevnostních charakteristik konstrukčních dílců.
- Trhliny od působení účinků vysokých teplot byly zjištěny na sloupech v místnosti a v chodbě v druhém poli u vstupu do 1. NP. V 2. NP je zřejmé poškození sloupů v dolní části účinkem opakovaných nárazů při převážení uskladněného materiálu.
- Povrchová krycí vrstva betonu průvlaků stropní konstrukce nad místnosti hlavního působiště požáru v 1. NP byla částečně odprýskána, čímž došlo k odhalení třmínků. Vysoká tepelná vodivost betonu vedla k přenosu vysokých teplot až do vnitřních částí průřezu betonu, a tedy lze očekávat redukci mechanických parametrů betonu a betonářské výztuže.
a
b
Obr. 3. (a) Poškozený strop v 1. NP v nejvíce zasažené části skladové budovy; (b) vstupní chodba v 1. NP – pohled na panely Spiroll po požáru
4. Diskuze
Pro navrácení dostatečné únosnosti poškozeným konstrukčním prvkům objektu a tedy i možnosti bezpečného využívání skladových prostor se doporučují následující opatření:
- Doporučuje se snížení dovoleného užitného zatížení z původních 15 kN/m2 na 10 kN/m2, a to po dohodě s vlastníkem objektu zastoupeným vedoucím areálu.
- S ohledem na stav poškozených předpjatých stropních panelů je nutná jejich celková výměna.
- Nevyhovující stav poškozené pětice sloupů v 1. NP a 4 průvlaků stropní konstrukce nad 1. NP je doporučena jejich sanace.
- Z důvodu velmi omezeného možného rozsahu diagnostických prací na vizuální prohlídku se požaduje provedení statické zatěžovací zkoušky tří určených polí stropní konstrukce nad 1. NP pro ověření vyhovující únosnosti skladových prostor.
- Akutní nutnost zajištění stropní konstrukce proti odpadávání stropních dílců a jejich částí v poškozené oblasti objektu v 1. NP do doby realizace nutných stavebních opatření pro umožnění bezpečného pohybu chodců pod těmito konstrukcemi. Je zakázán vstup na podlahy v 2. NP uložené na uvedených stropních konstrukcích.
5. Závěr
Článek se věnuje rozboru vlivu chování konstrukcí po působení požáru. V první části jsou popsány změny materiálových charakteristik betonu, betonářských výztuží a předpínacích výztuží s naznačením základních konstrukčních problémů při použití uvedených materiálů. Je zdůrazněn značný význam interakce mezi dvěma rozdílně se chovajícími materiály jako je beton a výztužná ocel. Při zvýšení teplot se teplotní roztažnosti betonu a oceli významně liší, jejich spolupůsobení je výrazně redukováno a v určitých případech vlivem odštěpování betonové krycí vrstvy může být výztuž odhalena a vystavena přímému působení teplot při požáru, které urychluje degradaci výztuže a tím celkovou redukci únosnosti konstrukce.
Druhá část příspěvku popisuje příklad stavebně technického průzkumu skladového objektu, který byl zasažen požárem. Hodnocení aktuálně stavebně-technického stavu dotčené části stavby se opírá především o vizuálně-defektoskopickou prohlídku, která odpověděla na naprostou většinu otázek nutných pro odhad schopnosti konstrukce přenášet požadovaná zatížení. S ohledem na havarijní stav betonových prvků v nejvýznamněji poškozené části zde nebylo možné odebrat vzorky vhodné na výrobu zkušebních těles. Podle hodnocení a posouzení na základě realizovaného stavebně-technického průzkumu byla provozovateli budovy doporučena stavební a bezpečnostní opatření pro znovunabytí provozuschopnosti skladového objektu a současně pro minimalizaci bezpečnostních rizik, aby se zabránilo újmám na zdraví.
Poděkování
Příspěvek byl vytvořen s podporou juniorského projektu specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně č. FAST-J-16-3174.
Literatura
- DROCHYTKA, Rostislav. Technické podmínky pro sanace betonových konstrukcí TP SSBK III. Brno: Sdružení pro sanace betonových konstrukcí, 2012. ISBN 978-80-260-2210-7.
- I. Hager, Behaviour of cement concrete at high Temperature, in Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, DOI: 10.2478/bpasts-2013-0013, 61 (2013) 1.
- K. Mikulica, R. Hela, Á. Dufka, Determination of Properties of Concrete Floor after a Fire and Renovation, Key Engineering Materials. pp. 33–38, 677 (2016).
- L. Bodnarová, J. Válek, L. Sitek, J. Foldyna, Effect of high temperatures on cement composite materials in concrete structures. Acta Geodynamica et Geomaterialia, DOI: 10.13168/AGG.2013.0017. ISSN 1214-9705. 10 (2013), pp. 173–180.
- FIB. Fire design of concrete structures: structural behaviour and assessment: state-of-the-art report. 1st publ. Lausanne: International Federation for Structural Concrete. Bulletin, ISBN 978-2-88394-086-4. (2008).
- J. Procházka, R. Štefan, J. Vašková, Navrhování betonových a zděných konstrukcí na účinky požáru. Vyd. 1. Praha: Česká technika -nakladatelství ČVUT, 2010, 189 s. Učební texty vysokých škol. ISBN 978-80-01-04613-5.
- ČSN EN 1992-1-2 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, Praha, ÚNMZ. (2015).
- 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).
- F. Wald a kol., Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, ČVUT, Praha. (2005).
- J. Bednář, F. Wald, Požární odolnost ocelobetonových stropů, ČVUT, Praha. (2011).
- 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. 14 (2016) 2.
- P. Schmid, Practical aspects of structural diagnostics on civil constructions: zkrácená verze habilitační práce, Brno, VUTIUM, ISBN 978-80-214-4327-3. (2011).
- A. Lílek, L. Grenčík, V. Novák, Betonové konstrukce, SNTL (1985).
- ČSN ISO 13822 (73 0038): Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí. (2014)
- ČSN 73 0038 (730038): Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí – Doplňující ustanovení. (2014).
This paper focuses on the effect that high temperatures generated during a fire have on reinforced and prestressed concrete structures. Fire is one of the common reasons for rehabilitations and reconstructions during the service life of a building. Before these can be started, however, it is necessary to assess the structure’s technical condition [1]. It is therefore necessary to know the physico-chemical changes occurring in the concrete due to fire. Changes in the material structure are then detrimental to the mechanical parameters. Concrete sees significant changes at temperatures as low as 300 °C. A structure’s load-bearing capacity is often determined by reinforcement bars or prestressing tendons, which reach their critical limits at temperatures lower than concrete. The paper draws on knowledge about the condition of materials damaged by elevated temperatures and discusses the assessment of a concrete skeleton structure after a fire. The main problem was presented by the ceiling, which was built from hollow core panels floor. The grouting between the slabs had disintegrated, the bottom faces of the slabs fell off and the prestressing tendons often lost tension. A renovation procedure for the structure was suggested.