Efektívny návrh stĺpa v rámovej konštrukcii pri požiari

Úvod

Zvolený spôsob ochrany oceľovej nosnej konštrukcie musí zabezpečiť jej spoľahlivú funkciu počas požiaru a zároveň umožniť efektívny návrh z hľadiska spotreby materiálu a technického riešenia. Pri návrhu konštrukcií na účinky požiaru je nevyhnutné, aby konštrukcia preukázala dostatočnú požiarnu odolnosť v stanovenom časovom intervale, ktorý zaručuje bezpečnú evakuáciu osôb a ochranu ľudských životov. Vzhľadom na nízku tepelnú odolnosť ocele pri vysokých teplotách je nevyhnutné zabezpečiť jej ochranu, a to aplikáciou protipožiarnych náterov, nástrekov alebo obkladov. Oceľové konštrukcie, navrhované v súlade s normou STN EN 1993-1-2 [1], musia spĺňať kritérium únosnosti po celý čas vystavenia požiaru, pričom výpočtový model musí verne reprezentovať predpokladané správanie konštrukcie pri zvýšených teplotách. Konzervatívne výsledky poskytujú zjednodušené modely a overené návrhové postupy, avšak v prípade ich obmedzenej použiteľnosti je potrebné uplatniť pokročilé výpočtové metódy, založené na požiarnych modeloch alebo experimentálnych skúškach [2]. Na účely analýzy a návrhu boli v príspevku využité softvérové nástroje Dlubal RFEM [3] a OZone [4].

Správanie stĺpov v rámových konštrukciách pri pôsobení požiaru

Na stanovenie vzpernej únosnosti stĺpa pri bežných teplotách aj za podmienok požiaru je kľúčové správne určiť jeho vzpernú dĺžku. Postup výpočtu vzpernej dĺžky oceľového stĺpa za požiaru, definovaný v článku 4.2.3.2 normy STN EN 1993-1-2 [1], vychádza z podobných princípov ako metodika pre návrh pri bežných teplotách uvedená v článku 6.3.1.1 normy STN EN 1993-1-1 [5].

Podľa STN EN 1993-1-2 [1] sa predpokladá, že požiar zasahuje spravidla len jedno podlažie (t. j. jeden požiarny úsek), pričom neohriate prvky v susedných podlažiach si zachovávajú výrazne vyššiu tuhosť než prvky vystavené účinkom požiaru. Výsledkom je, že vzperné dĺžky stĺpov za požiaru bývajú menšie v porovnaní so stĺpmi posudzovanými za bežnej teploty.

V prípade rámových konštrukcií s neposuvnými uzlami sa každé podlažie posudzuje ako samostatný požiarny úsek, pričom ohriaty stĺp sa považuje za votknutý do chladnejších stĺpov v podlažiach nad a pod ním [5]. Spoje nosníkov v takýchto rámoch sú zvyčajne kĺbové alebo polotuhé, čo má zanedbateľný vplyv na rotačnú tuhosť a umožňuje uvažovať so vzpernou dĺžkou 0,5 × L pre medziľahlé podlažia a 0,7 × L pre prvé a posledné podlažie [1]. Skutočné vzperné dĺžky sa však od týchto návrhových hodnôt odchyľujú a prevyšujú hodnoty uvedené v norme, čím predstavujú nebezpečnejší prípad. Touto problematikou sa zaoberalo viacero autorov [6]. V rámci tejto štúdie sa pre účely konzervatívneho posúdenia uvažovala vzperná dĺžka stĺpov 1 × L, keďže predpoklad o polovičnej vzpernej dĺžke za požiaru nie je spoľahlivo overený.

V prípade rámov s posuvnými uzlami neposkytujú explicitné odporúčania na určenie vzperných dĺžok stĺpov vystavených účinkom požiaru.

Požiarne zaťaženia

V požiarnej situácii sa zaťaženie rozdeluje na mechanické zaťaženie, ktoré predstavuje vstupný parameter pre statickú analýzu nosnej konštrukcie, a tepelné zaťaženie, ktoré slúži ako základ pre teplotnú analýzu rozloženia teplôt v konštrukcii.

Tepelné

Hlavným účinkom požiaru na nosné konštrukcie je pôsobenie tepelného zaťaženia, ktoré spôsobuje nárast teploty v konštrukčných prvkoch na hodnoty, pri ktorých dochádza k degradácii ich fyzikálnych a mechanických vlastností. Tepelné zaťaženie je v praxi reprezentované pomocou idealizovaných teplotných kriviek alebo numerických modelov požiaru [7].

Normová nominálna teplotná krivka ISO 834 predstavuje štandardizovaný referenčný model teplotného priebehu počas požiaru a je využívaná pri laboratórnych skúškach požiarnej odolnosti konštrukčných prvkov v skúšobných zariadeniach. Napriek tomu, že ISO 834 nereprezentuje reálny priebeh požiaru v priestore, jej zavedenie umožnilo vývoj výpočtových metód pre návrh konštrukcií s ohľadom na požiarnu odolnosť.

Pokročilé modely požiaru vychádzajú z fyzikálnych zákonitostí prenosu tepla, výmeny energie a hmoty a zahŕňajú aj vlastnosti spalín. Medzi základné analytické prístupy patrí jednozónový model, ktorý predpokladá rovnomerné a časovo závislé rozloženie tepla v celom objeme požiarneho úseku. Na druhej strane, dvojzónový model rozdeľuje priestor na hornú zónu s konštantnou teplotou a časovo premenlivou výškou, a spodnú zónu, kde sa teplota mení v čase, čo umožňuje presnejšiu simuláciu reálneho priebehu požiaru. Vytvorenie týchto modelov je možné realizovať prostredníctvom výpočtového softvéru OZone [4].

Mechanické

Hlavné ohrozenie nosných konštrukcií počas požiaru predstavuje degradácia mechanických vlastností konštrukčných materiálov v dôsledku zvýšenej teploty. S rastúcou teplotou dochádza k výraznému znižovaniu mechanických vlastností materiálu, ako sú medza klzu, medza pevnosti, medza úmernosti a modul pružnosti. Tieto vlastnosti sa pri zvýšených teplotách určujú vynásobením hodnôt za normálnej teploty príslušným súčiniteľom uvedeným v norme STN EN 1993-1-2 [1]. Mechanické zaťaženie pri požiari Ed sa určí podľa pravidla pre mimoriadne návrhové situácie, ktoré je v čl. 6.4.3.3 (1) normy STN EN 1990 [8].

Obr. 1 – Kritická teplota prúta [9]

Pri určovaní návrhových kombinácií pre požiarne situácie sa zohľadňujú iba tie typy zaťaženia, ktoré môžu v reálnych podmienkach počas požiaru skutočne pôsobiť. Premenné zaťaženia sa upravujú v súlade s ustanoveniami STN EN 1990 [8], pričom v špecifických prípadoch, ako je predpokladané roztopenie snehovej pokrývky pred dosiahnutím návrhovej teploty, je možné snehové zaťaženie z kombinácie vylúčiť. Takéto prípady sa však musia posúdiť individuálne.

Dôležitým parametrom závislým od zaťaženia je kritická teplota prúta. Je to teplota, pri ktorej sa pre danú úroveň zaťaženia očakáva, že nastane porušenie oceľového prvku pri rovnomernom rozložení teploty (obr. 1).

Analýza ochrany oceľového stĺpa pri požiari

Na účely porovnania návrhov oceľových stĺpov bola vytvorená rámová konštrukcia s dvoma poľami a štyrmi podlažiami, ktorá reprezentuje konštrukciu s neposuvnými uzlami. Rozpätia polí sú 7 metrov a výška jednotlivých podlaží je 3,5 metra. Vzdialenosť medzi priečnymi väzbami je 9 metrov. Posudzované a porovnávané boli všetky stĺpy po celej výške konštrukcie.

Obr. 2 – Schéma analyzovanej konštrukcie

Zaťaženia pôsobiace na stĺpy zahŕňajú stále zaťaženia, ostatné stále zaťaženia a premenné zaťaženie od snehu. Stále zaťaženie tvorí tiaž strešných panelov Kingspan KS1000 RW120, nosná strešná konštrukcia, ktorú tvoria väznice s prierezom HEA240, väzníky s prierezom HEA280, a nosné konštrukcie stropov, t.j. stropné nosníky HEA360 a prievlaky HEA450. Premenné zaťaženie predstavuje sneh, pričom modelová budova sa nachádza v 2. snehovej oblasti vo výške 226,4 m n. m. Schéma konštrukcie je znázornená na obrázku 2.

Na stanovenie časového priebehu teplôt a identifikáciu kritickej teploty, pri ktorej dôjde k zlyhaniu prvku, bola vykonaná analýza pomocou podrobného požiarneho modelu v programe OZone [4]. Definovaná miestnosť mala rozmery 18 × 7 × 3,5 m, pričom väčšinu jednej z dlhších stien (17 m) tvorili okná s výškou 1,2 m a parapetom vo výške 0,9 m. Celková plocha miestnosti vystavenej požiaru bola 126 m². Požiarne zaťaženie pre tento typ kancelárskeho priestoru bolo programom OZone [4] stanovené na 568,2 MJ/m². Požadovaná návrhová požiarna odolnosť posudzovaných stĺpov bola stanovená na R30.

Stĺpy boli posudzované na vzpernú odolnosť. Pri bežných teplotách bol návrh vykonaný podľa normy STN EN 1993-1-1 [5]. V prípade požiaru boli na základe teplôt stanovených programom OZone určené redukčné súčinitele modulu pružnosti a medze klzu ocele v súlade s normou STN EN 1993-1-2 [1].

Prierezy bez protipožiarnej ochrany navrhnuté na bežnú teplotu

Stĺpy navrhnuté na bežnú teplotu boli zaťažené návrhovými silami, ktoré vznikli kombináciou stálych, ostatných stálych a premenných zaťažení. Pri rámovej konštrukcii s neposuvnými uzlami boli vzperné dĺžky všetkých stĺpov rovné systémovej výške podlažia, teda 3,5 m. Pre stĺp č. 4 bola návrhová sila 284 kN a bol navrhnutý prierez HEB 200 s využitím prierezu 20 %. Stĺp č. 3 bol zaťažený silou 671 kN, tiež s prierezom HEB 200 a využitím 48 %. Stĺp č. 2 mal návrhovú silu 1910 kN a bol navrhnutý s prierezom HEB 320 s využitím 57 %. Najväčšie zaťaženie mal stĺp č. 1 s návrhovou silou 2603 kN a prierezom HEB 320, pričom využitie prierezu dosiahlo 78 %. Všetky stĺpy mali dostatočnú vzpernú odolnosť pri daných okrajových podmienkach, pričom namáhanie vzperom malo dostatočnú kapacitu, pretože nebolo rozhodujúcim druhom namáhania.

Obr. 3 – Teplotné krivky pre reálny požiar a ISO 834

V požiarnej situácii bolo zaťaženie vypočítané z mimoriadnej kombinácie zaťažení. Výsledné návrhové sily pre jednotlivé stĺpy boli nasledovné: stĺp č. 4 bol zaťažený silou 163 kN, stĺp č. 3 silou 666 kN, stĺp č. 2 silou 1182 kN a stĺp č. 1 silou 1594 kN. Vzhľadom na to, že bola návrhová odolnosť stĺpa určená na hodnotu R30, tak pozorované teploty stĺpa boli v 30. minúte požiaru. Programom OZone bola vytvorená teplotná krivka pre reálny požiar podľa zadaných vstupov a teplotná krivka na základe normovej krivky ISO 834. Teplotné krivky teplôt v simulovanej miestnosti sú na obrázku 3.

Na základe teplotných kriviek teploty miestnosti požiarneho úseku, boli programom OZone určené teplotné krivky stĺpov. Kritické teploty stĺpov, pri ktorých by stĺpy zlyhali, boli nasledovné: kritická teplota stĺpu č. 4 je 740,47 °C, stĺpu č. 3 je 529,92 °C, stĺpu č. 2 je 593,30 °C a stĺpu č. 1 je 542,71 °C. Nechránené stĺpy dosiahli svoje kritické teploty v intervale 13 až 26 minút, takže ani jeden z nich nespĺňal požiadavku na požiarnu odolnosť R30. Dosiahnuté teploty v tomto časovom intervale boli v rozmedzí 700 až 900 °C. Pri takýchto teplotách sú už výrazne redukované mechanické vlastnosti ocele, vo výpočte preto boli redukované hodnoty medze klzu a modulu pružnosti podľa normy STN EN 1993-1-2 [1]. Odolnosti prierezov pri týchto teplotách boli nedostatočné a využitie prierezov sa pohybovalo v rozmedzí 116 až 865 %.

Požiarna ochrana nástrekmi

Promapaint-SC3 je vodou riediteľný intumescentný náter [10]. Hrúbka nástreku je určená podľa katalógu výrobcu. Prierez sa navrhuje na návrhovú teplotu, ktorá by mala byť nižšia ako kritická teplota prvku. Hrúbka vrstvy je určená na základe súčiniteľa prierezu Ap/V, kde Ap je plocha povrchu prvku na jednotku dĺžky a V je objem prvku na jednotku dĺžky. Súčiniteľ je meraný v jednotkách m⁻¹.

Promapaint-SC4 je taktiež vodou riediteľný intumescentný náter [10]. Hrúbka nástreku Promapaint-SC4 je určená podobným spôsobom ako Promapaint-SC3. Poradie vrstiev pre aplikáciu protipožiarneho nástreku pre Promapaint-SC3/4 je na obrázku 4.

Obr. 4 – Promapaint-SC3/SC4: 1 – očistená oceľ, 2 – základová vrstva, 3 – promapaint-SC3/4, 4 – konečný nástrek

Obr. 5 – Promaspray-P300: 1 – očistená oceľ, 2 – základová vrstva, 3 – promaspray-P300

Požiarna ochrana nátermi

Promaspray-P300: Materiálové zloženie tohto nástreku je na báze vermikulitu a sadry zmiešaných s vodou [10]. Hrúbka nástreku sa tak isto ako u predchádzajúcich nástrekov vyberá podľa katalógu výrobcu. Poradie vrstiev pre aplikáciu protipožiarneho nástreku pre Promaspray-P300 je na obrázku 5.

Vo výpočtovom programe OZone bola vybraná protipožiarna ochrana nástrekom, konkrétne nástrekom „Spray Mineral Fiber“ s preddefinovanými vlastnosťami. Vo výpočte boli redukované hodnoty medze klzu a modulu pružnosti podľa normy.

Požiarna ochrana obkladmi

Knauf FIREBOARD je sadrovláknitá doska, kde je jadro upravenej sadry vystužené sklenými vláknami a obalené do špeciálnej flísovej tkaniny [11]. Minimálna hrúbka obkladu je 12,5 mm. Možnosť použitia sádrovláknitej dosky sa nachádza aj v programe OZone. Obloženie prierezu proti požiarnym obkladom Knauf Fireboard je na obrázku 6.

Promatect-H je samonosná protipožiarna doska odolávajúca vlhkosti na cementovej báze. V ponuke materiálov v programe OZone sa nachádza materiál s podobnými vlastnosťami ako je Promatect-H. Obloženie prierezu proti požiarnym obkladom Promatect-H je na obrázku 7.

Obr. 6 – Oceľový prierez obložený vrstvou protipožiarneho obkladu Knauf Fireboard

Obr. 7 – Promatect-H: 1 – očistená oceľ,
2 – protipožiarny obklad, 3 – spoje dosiek

Prierezy bez protipožiarnej ochrany navrhnuté na odolnosť voči požiaru R30

V určitých špecifických prípadoch s kratšími požiadavkami na odolnosť (napr. R30) je možné prvok navrhnúť na odolnosť voči požiaru zväčšením prierezu a bez protipožiarnej ochrany. V prípade analyzovaných stĺpov bola táto možnosť overená, pričom boli zväčšené prierezy stĺpov č. 4 a č. 3 na prierezy HEB320, t. j. na prierezy stĺpov pod nimi. V prípade stĺpa č. 4, ktorý je zaťažený strešnou konštrukciu a snehom, bolo využitie za požiaru na úrovni 44 %. Avšak v prípade stĺpa č. 3 bolo jeho využitie za požiaru na úrovni 180 %. Z toho vyplýva, že predimenzovanie prierezu za účelom dosiahnutia požiarnej odolnosti R30 je možné len v špecifickom prípade menej zaťaženého stĺpa umiestneného v hornom podlaží pri požiadavke na kratšiu požiarnu odolnosť.

Výsledky

V nasledujúcich tabuľkách 1 a 2 sú uvedené zhrnuté výsledky z analýzy návrhov, pričom porovnané boli materiálové vlastnosti použitých protipožiarnych materiálov a následne aj ich ceny.

V tabuľke 1 je uvedené porovnanie miery využitia prierezov stĺpov pri rôznych hrúbkach aplikovaných protipožiarnych ochrán. Hrúbky týchto ochranných vrstiev boli navrhnuté na základe priebehu teplôt počas požiaru tak, aby teplota oceľového prvku v 30. minúte neprekročila kritickú hranicu, pri ktorej by došlo k jeho zlyhaniu. Miera využitia tu odráža pomer medzi vzpernou odolnosťou prierezu za zvýšenej teploty a požadovanou únosnosťou. V prípade ochranných nástrekov Promapaint a Promaspray bola teplota, pri ktorej sa posudzovala únosnosť v čase R30, prevzatá z technických podkladov výrobcu [10]. Na základe toho sa posudzovalo, do akej miery sa návrhová teplota približuje ku kritickej hodnote. Aj keď výsledky miery využitia prierezov vykazujú značné rozdiely, všetky riešenia boli dimenzované tak, aby splnili požiadavku požiarnej odolnosti R30. Najmenej využité prierezy sú v prípade použitia požiarných obkladov, čo vyplýva z ich minimálnych použiteľných hrúbok 8 a 12,5 mm.

V tabuľke 2 je zhrnuté porovnanie jednotlivých návrhov z pohľadu nákladov. Okrem cien sú v nej uvedené aj hmotnosti použitých materiálov pri uvažovaných hrúbkach potrebných na zabezpečenie požadovanej požiarnej odolnosti. Výpočty boli realizované pre množstvo materiálu potrebného na ochranu jedného stĺpa zvoleného prierezu. Pri použití protipožiarnej ochrany, ako sú nástreky alebo obklady, je nevyhnutné počítať aj s nákladmi na ich aplikáciu. Práve tieto technologické operácie predstavujú dodatočné finančné výdavky. V prípade nástrekov sa predpokladá, že aplikácia na jeden stĺp trvá približne 5 hodín, pričom cena práce vrátane spotrebného materiálu je odhadovaná na 40 €/hod. Naopak, montáž obkladov si vyžaduje približne 4,5 hodiny práce s priemernou sadzbou 30 €/hod., taktiež vrátane potrebného materiálu. Ako najlacnejšia alternatíva vychádza z porovnania ochrana protipožiarnym obkladom Knauf Fireboard. Najdrahšia alternatíva protipožiarnej ochrany je pre posudzovaný prípad protipožiarny nástrek Promapaint-SC3. Rozdiel medzi najlacnejším a najdrahším riešením protipožiarnej ochrany je až 64 %.

Záver

Pri návrhu protipožiarnej ochrany oceľovej nosnej konštrukcie je nevyhnutné dosiahnuť rovnováhu medzi bezpečnosťou a hospodárnosťou riešenia. Výber vhodnej ochrany je vždy individuálny, nakoľko závisí od konkrétnych podmienok stavby, typu konštrukcie a od vlastností použitých materiálov, vrátane ich ceny. Neexistuje preto univerzálne najvýhodnejší alebo najlacnejší protipožiarny materiál. Každý typ ochrany má svoje charakteristické vlastnosti. Niektoré sú vhodné len do vnútorného prostredia, iné znesú aj exteriérové podmienky, pričom všetky kladú špecifické nároky na prostredie, vlhkosť či montáž.

V prípade návrhu stĺpa na najvyššom podlaží, ktorý je zaťažený iba strešnou konštrukciou a snehovým zaťažením, a pri požiadavke na požiarnu odolnosť R30, je za určitých podmienok možné použiť aj prierez bez dodatočnej protipožiarnej ochrany. Použitie tohto riešenia má výhodu v tom, že nevyžaduje ďalšie montážne zásahy po jeho osadení. V cenovom porovnaní však nebol spomenitý pretože v prípade takejto konštrukcie je v každom prípade potrebné použiť ochranný materiál ocele na ostatných častiach konštrukcie na zabezpečnie požadovanej požiarnej odolnosti. Treba však upozorniť, že ceny za montážne práce boli v rámci tohto posúdenia len orientačné a v reálnych podmienkach sa môžu líšiť v závislosti od regiónu či krajiny. Finálny cenový rozdiel môže byť preto v praxi odlišný.

Ďalší spôsob, ako možno optimalizovať návrh z ekonomického hľadiska, predstavuje zníženie vzpernej dĺžky podľa STN EN 1993-1-2 [1] v prípade rámov s neposuvnými uzlami – v požiarnej situácii je možné uvažovať so vzpernou dĺžkou polovičnou oproti systémovej výške stĺpa, čo je dôsledkom jeho votknutia medzi „chladné“ stĺpy v nižšom a vyššom podlaží. V tomto posúdení však táto možnosť nebola zohľadnená, a to kvôli potrebe zachovať konzistentnosť výsledkov medzi jednotlivými variantmi, ale aj vzhľadom na neistotu, či je v praxi takto skrátená vzperná dĺžka reálne dosiahnuteľná.

Z tabuľkového porovnania rôznych riešení vyplýva, že najvýhodnejším variantom z hľadiska ceny je použitie protipožiarneho obkladu Knauf Fireboard, ktorý zároveň poskytuje dostatočnú rezervu v prípade požiaru.

Z vykonanej analýzy vyplýva, že návrh protipožiarnej ochrany nemožno štandardizovať. Aby bol návrh konštrukcie nielen bezpečný, ale aj finančne efektívny, je dôležité, aby projektanti zohľadnili všetky špecifiká konkrétneho prípadu, vrátane cien materiálov a nákladov na prácu.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol za finančnej podpory Grantovej agentúry VEGA SR v rámci riešenia úlohy 1/0654/24.

Literatúra a použité zdroje

1. European Committee for Standardization (CEN), EN 1993-1-2 – Design of Steel Structures, Part 1.2: General Rules – Structural Fire, Brussels, Belgium, 2004.
2. M. Bellová, J. Olbřímek, A. Osvald, J. Prochádzka, R. Štefan a M. Štujberová, Navrhovanie konštrukcií na požiarnu odolnosť podľa eurokódov, Bratislava: MABAG spol. s.r.o., 2010, pp. 1-216.
3. Dlubal RFEM, „FEM Structural Analysis Software, verzia 5.30.01,“ Dlubal, Praha.
4. ArcelorMittal, „OZone 3.0.2,“ University of Liege, Liege, 2017.
5. European Committee for Standardization (CEN), EN 1993-1-1 – Design of Steel Structures, Part 1.1: General Rules – General rules for buildings, Brussels, Belgium, 2006.
6. R. ČERVENKA, „Buckling length of steel columns in frame structures stressed by fire,“ rev. Juniorstav 2024, Brno, 2024.
7. F. Wald, J. Macháček, M. Jandera, J. Dolejš, Z. Sokol a P. Hájek, Structural Steel Design according to Eurocodes, Praha: Czech Technical University Publishing House, 2012, pp. 1-193.
8. European Committee for Standardization (CEN), EN 1990 - Basis of structural design, B-1050 Brusel, 2009.
9. M. Štujberová, Vybrané problémy navrhovania konštrukcií na účinky požiaru, Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, Nakladateľstvo STU, 2009.
10. d. Promat, „Promat,“ [Online]. Available: https://etex.azureedge.net/pi704519/original/240910135/structural-steel-protection-handbook-promat-see-en-2024-01. [Cit. 18 10 2024].
11. s. KNAUF, „knauf,“ [Online]. Available: https://knauf.com/sk-SK/knauf#showtab-tab_47_3. [Cit. 18 10 2024].