Reklama

Kompozitní dřevobetonové konstrukce za požáru

19.3.2012

Ing. Eva Dvořáková, Ing. Anna Kuklíková, Ph.D., České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební

Recenzovaný

V případech kompozitních dřevobetonových konstrukcí je nutné provádět požární zkoušky a snažit se z nich získat co nejvíce poznatků, které by umožnily sestavit příslušné výpočetní modely. Tento příspěvek je zaměřen na popis problematiky kompozitních dřevobetonových konstrukcí a přehled nových poznatků o jejich chování za požáru.

Reklama

Nedílnou součástí posouzení nových, ale i stávajících konstrukcí je ověření jejich odolnosti za mimořádných situací. Jednou z častých mimořádných situací je požár. Výpočetní postupy podle části 1-2 Eurokódu 5 zatím též neumožňují posuzovat některé skladby konstrukcí, ke kterým patří i kompozitní dřevobetonové konstrukce. V těchto případech je nutné provádět požární zkoušky a snažit se z nich získat co nejvíce poznatků, které by umožnily sestavit příslušné výpočetní modely. Tento příspěvek je zaměřen na popis problematiky kompozitních dřevobetonových konstrukcí a přehled nových poznatků o jejich chování za požáru.

1 Úvod

V současné době se dřevobetonové konstrukce stále více prosazují ve světě i u nás. Tyto kompozitní prvky, které fungují za předpokladu optimálního spolupůsobení obou materiálů, jsou využívány převážně pro spřažené dřevobetonové stropy, které mohou být použity jak při zesilování a rekonstrukci historických staveb s dřevěnými stropními nosníky nebo deskami, tak při realizaci nových vícepodlažních staveb. Zesilování starých dřevěných stropů se v současnosti často stává nutností. Spojení dřeva s betonem se jeví jako velice výhodné, neboť stávající dřevěné podlahy mohou zůstat neporušené a jsou pouze zesíleny přidáním betonové desky. Důležitý je dobrý stav dřevěných nosníků bez většího biologického poškození a případná výměna všech znehodnocených částí. Rozvoj problematiky spřažených stropů souvisí se širším uplatněním dřeva v bytové výstavbě, a to zejména při realizaci vícepodlažních dřevostaveb.

Obr. 1.1: Typická skladba nosníkového typu dřevobetonové kompozitní konstrukce

Spřažením betonové desky s dřevěnou konstrukcí se dosáhne zvýšení únosnosti a tuhosti systému. Jsou-li dřevo s betonem dobře spojeny, mohou mít až trojnásobnou únosnost a až šestkrát větší ohybovou tuhost oproti tradičním dřevěným stropům [1]. Použitím spřaženého stropu se výrazně redukuje jeho poddajnost, která je u čistě dřevěných stropů často vnímána jako rušivá. Dřevobetonové konstrukce mají dobré akustické vlastnosti a zlepšují vzduchovou a kročejovou neprůzvučnost. Vzhledem k výrazně vyšší hmotnosti je omezen přenos zvuku šířeného vzduchem a zároveň je omezen přenos zvuku v pevném materiálu vlivem vyššího útlumu spřaženého stropu. Také útlum kmitání je výraznější než u dřevěných stropů, takže posouzení kmitání pro mezní stav použitelnosti lze vyhovět mnohem lépe.

Při požárním namáhání tvoří betonová deska účinnou bariéru proti šíření plamene, čímž je výrazně zlepšena požární odolnost konstrukce v porovnání s čistě dřevěným stropem.

Právě požární odolnost je jedním z nejdůležitějších požadavků na tyto konstrukce, neboť u některých konzervativních investorů a projektantů stále přetrvává obava ze dřeva jako hořlavého materiálu. Z tohoto důvodu je nezbytné získání hlubších poznatků o chování dřevěných konstrukcí a dřevobetonových konstrukcí při požárním namáhání, aby byly odstraněny všechny neznámé a byl tak umožněn bezpečnější a hospodárnější návrh. Doposud je totiž v oblasti poznání této problematiky značná rezerva.

2 Typy spojení

Chování dřevobetonových kompozitních desek je v podstatě ovlivněno podélným smykovým spojením mezi dřevem a betonem. Proto je smykové spojení rozhodujícím komponentem systému a do značné míry ovlivňuje jeho chování. Funkce smykového spojení je účinné přenesení smyku mezi dřevěným nosníkem a betonovou deskou k zajištění kompozitního chování.

S rostoucí oblibou dřevobetonových konstrukcí se v posledních desetiletích rozvinul zájem o možnosti provedení jejich vzájemného spřažení. To se tradičně dosahuje pomocí mechanických spojovacích prostředků nebo smykovým spojením přenášejícím síly přímo mezi dřevem a betonem. Rozlišují se dva způsoby tohoto spojení a to příčné zářezy blízko oblasti podpor, nebo různě vysoké lamely u vrstveného řeziva. Tím lze vytvořit plochy tření, kterými mohou být přenášeny podélné smykové síly. Mechanických spojovacích prostředků existuje velké množství. Pravděpodobně nejlepší rozdělení je do čtyř skupin a to spřahovací prostředky kolíkového typu (hřebíky, vruty, kolíky), speciální ocelové spřahovací prostředky, zářezy a ozuby do dřeva a vlepované spoje. Spoje jsou přitom rozděleny podle jejich tuhosti, takže poslední jmenovaný odpovídá plně kompozitnímu chování.

Samostatnou kapitolou spojení mezi dřevem a betonem jsou lepené kompozitní dřevobetonové konstrukce, které se v posledních několika málo letech staly velice aktuálním tématem a to zejména díky progresivnímu vývoji materiálů lepidel. Důvody použití lepených dřevobetonových kompozitních konstrukcí jsou jasné: spřažení pomocí lepidla přenáší podélné smykové síly a zamezuje nepříznivým koncentracím sil, které nastanou v jejich okolí při použití mechanických spojovacích prostředků pomocí tuhých lepidel. Je také odstraněn vzájemný pohyb mezi dřevem a betonem, charakterizovaný modulem prokluzu spoje K, který popisuje tuhost spřažení a rozděluje tak z hlediska smykového spojení dřevěné a betonové části nosníku na průřezy s částečným spřažením a úplným spřažením.

3 Navrhování dřevobetonových konstrukcí za běžné teploty

Pro dřevobetonové konstrukce vystavené kladnému ohybovému momentu platí, že dřevěná část je namáhána tahem za ohybu a betonová část tlakem za ohybu. Spojovací prostředky přenáší smykovou sílu, která je v rovnováze s opačně orientovanou vnitřní normálovou sílou působící v betonové a dřevěné části kompozitního průřezu a závisí na tuhosti smykového spojení k [N/mm²].

k = Ks (1)

kde K je modul prokluzu spřahovacího prostředku [N/mm] a s je vzájemná osová vzdálenost spřahovacích prostředků na jednotku délky [mm].

Bez spojení dřeva a betonu by měly být jednotlivé části považovány za nezávislé, vystavené pouze ohybu. Oproti tomu tuhé spřažení zajišťuje plné kompozitní chování mezi oběma prvky vystavenými maximální vnitřní síle a minimálnímu ohybovému momentu. Protože nedochází k žádnému prokluzu mezi dřevem a betonem, kompozitní konstrukce by měla být považována za jeden celek, a proto mohou být použity běžné principy globální analýzy konstrukce. Polotuhé spřažení zajišťuje pouze částečné kompozitní chování, a proto se při globální analýze musí věnovat pozornost prokluzu mezi prvky. Pro částečné kompozitní chování pak pro příčný řez neplatí Bernoulliho hypotéza, i když předpoklad zachování rovinného průřezu po deformaci je stále platný pro všechny složky.

Chování dřevobetonového kompozitního nosníku je řízeno smykovým spojením mezi dřevem a betonem. Jestliže napětí ve spoji zůstává v lineárně pružné oblasti do porušení dřevěného prvku, můžeme předpokládat lineárně pružné chování celé kompozitní konstrukce. Na druhé straně, pokud spojovací prostředky dosahují své únosnosti, krajní spojovací prostředky se budou deformovat plasticky a předpokládá se nelineární chování.

Výpočet napětí a deformace spřaženého průřezu lze provést několika způsoby. Zjednodušená výpočetní metoda (γ-metoda), vycházející z diferenciálních rovnic elastického spřažení, je úzce spojena s Möhlerovým modelem a předpokládá oboustranně podepřený nosník s konstantní tuhostí po celé délce nosníku. To je také důvod, proč je vhodná pro jednoduché ruční výpočty a dále pro ověření výsledků analýz založených na metodě konečných prvků. Modelování metodou konečných prvků je další možností pro výpočet. V současné době je potenciál řešení nelineárních úloh pomocí MKP obrovský. Nejmodernější způsob řešení je modelovat konstrukci reálným modelem pomocí objemových prvků se skutečnými vlastnostmi použitých materiálů a jejich vzájemného kontaktu.

4 Navrhování dřevobetonových konstrukcí za požáru

Znalost chování dřevobetonových konstrukcí a jejich spojovacích prostředků za požáru je důležitá k dosažení bezpečného a hospodárného návrhu této konstrukce. Požární odolnost dřevobetonových prvků je dána především dřevem a spřahovacími prostředky [2]. Chování při požáru je ovlivňováno zmenšováním průřezu dřevěného prvku vlivem odhořívání dřevní hmoty a teplotně závislým poklesem mechanických vlastností dřeva, spřažení a částečně i betonu. Při vystavení stropní konstrukce účinkům požáru je nutné znát vlastnosti jednotlivých částí kompozitní dřevobetonové konstrukce při vysokých teplotách, které jsou závislé na rozměrech, tvaru, povrchu, hustotě a vlhkosti dřevní hmoty, velikosti požárního zatížení a teplotě plynu v požárním úseku v průběhu požáru. Způsob spřažení je důležitý pro kontrolu chování smykového spojení při požáru a je řízen chováním jeho nejslabšího prvku, který je někdy těžko předvídatelný.

Tuhost spřažení k je při požáru ovlivňována zejména teplotou dřeva v okolí spřažení a se zvyšující se teplotou rychle klesá. Teplota dřeva v okolí spřažení závisí nejvíce na vzdálenosti osy spřahovacího prostředku od okraje průřezu, tedy jeho krytí. V místě smykového spojení může být vývoj teploty řízen rozměrem příčného řezu, zejména šířkou a druhem požárního scénáře. Výpočty jsou pak založeny na studii vlivu šířky při požáru podle nominální teplotní křivky provedené Frangim, Knoblochem a Fontanou z The Swiss Federal Institute of Technology (ETH) v Curychu. Na základě výsledků experimentů vyvinuli vzorce pro redukci modulu prokluzu a také pro únosnost kolíkových spojovacích prostředků. Použití teplotních profilů a teplotně závislých součinitelů podle Frangi, Knoblocha a Fontany proto vede k získání jednoduchých vztahů pro únosnost a tuhost spoje, závislých na umístění spojovacích prostředků v dřevěném prvku. Teplota uvnitř dřevěného nosníku pak nemusí být určena a výpočet pevnostních a tuhostních vlastností kolíkových spojovacích prostředků je mnohem jednodušší. Teplotně závislý redukční součinitel pevnosti a tuhosti kolikového spojovacího prostředku je uvažován modifikačním součinitelem pro požár k_mod,fi, který závisí na krytí spojovacího prostředku dřevem x.

4.1 Požární zkoušky dřevobetonových konstrukcí

Za účelem poznání chování těchto konstrukcí za požáru byl proveden Frangim a Fontanou výzkum na ETH v Curychu. Jejich studie se zaměřila na dva oddělené systémy, a to z masivní dřevěné deskové konstrukce složené z prken spojených hřebíky nebo lepených lamelových nosníků, které mají v horní části drážky pro spojení systému s betonem a které jsou opatřeny vlepovanými trny do předvrtaných otvorů podél těchto drážek. Druhý systémem byl dřevěný nosník, skládající se ze samovrtných šroubů zavrtaných do trámu pod úhlem 45° pro spojení systému s betonovou deskou vybetonovanou na překližovanou desku. Oba tyto typy stropů jsou uvedeny na obrázku 4.1.

Obr. 4.1: Deskový a nosníkový typ konstrukce vyšetřovaný v Curychu [4]

Oba typy spřahovacích prostředků byly podrobeny zkouškám na vytažení za běžné teploty, konstantní teploty a teploty odpovídající průběhu požáru podle nominální teplotní křivky. Dále byly prováděny smykové zkoušky a zkoušky na ohybovou únosnost při běžné teplotě a při požáru podle nominální teplotní křivky [2]. Z výzkumu vyplývá, že tuhost spřažení klesala s rostoucí teplotou pouze u spřažení pomocí vrutů. U spřažení s vyfrézovanými zářezy a vlepovanými trny nebyl pozorován žádný prokluz mezi dřevěným prvkem a betonem až do zatížení odpovídajícího hodnotě přibližně třetiny zatížení v mezním stavu únosnosti při běžné teplotě, což znamená, že v průběhu působení požáru nedochází ke snižování tuhosti. Jak požár během požární zkoušky postupoval, rostl díky ztrátě příčného řezu a vlivem teploty svislý průhyb a prokluz mezi betonovou deskou a dřevěným nosníkem.

Jiný výzkum, který proběhl v nedávné době na Novém Zélandě, vyšetřuje chování dřevobetonových konstrukcí za požáru a vyhodnocuje výpočetní metody pro posouzení požární odolnosti těchto systémů. Hlavním cílem zkoušek dřevobetonové konstrukce ve skutečném měřítku bylo zjistit, kdy dojde k selhání při působení požáru, což zahrnuje znalost způsobu selhání všech částí stropního systému. Zkoušky v laboratorní komoře byly provedeny na dvou vzorcích skutečné velikosti v Building Research Association of New Zealand (BRANZ). Spojení mezi dřevem a betonem bylo dosaženo pomocí zářezů do dřevěného prvku se smykovými spojovacími prostředky, zabraňujícími nadzdvižení v prvním případě a ocelové desky s prolisovanými trny lisované mezi dvojité nosníky v případě druhém.

Bylo zjištěno, že zmenšování průřezu dřevěného prvku vlivem požáru určuje kolaps stropní konstrukce. Ta selhala po 75 minutách podle nominální teplotní křivky a zbytkový průřez zůstal pouze ve velikosti 15 % z původního průřezu. Vzhledem ke kompozitnímu chování, jež je dosaženo spřažením, byly stropní konstrukce schopny odolávat dlouhodobému působení požáru. Kompozitní chování tak pomáhalo ke zvýšení požární odolnosti na vyšší stupeň ve srovnání s podobnými zkouškami nespřaženého nosníku z LVL ve stejné peci.

4.2 Požární zkoušky dřevobetonových konstrukcí

Obr. 4.2: Zkušební tělesa dřevobetonové konstrukce vyšetřované v Ostravě [5]

Výzkum Katedry ocelových a dřevěných konstrukcí, Fakulty stavební, ČVUT v Praze je již několik let věnován kompozitním dřevobetonovým konstrukcím a jejich chování za běžné teploty a za požáru. Při požární zkoušce byla nejprve řešena únosnost a tuhost spřahovacích prostředků kolíkového typu s mezivrstvou (bedněním) a bez mezivrstvy mezi dřevěnou a betonovou částí. Měření teploty při experimentálním požáru v Mittal Steel Ostrava bylo zaměřeno na stanovení požárních vlastností a na ověření vlivu působení reálného požáru, který má jiný průběh než požár podle nominální teplotní křivky. Dalším cílem experimentu bylo stanovit vliv spáry mezi dřevěným nosníkem a betonovou deskou, která vzniká v normálovém směru k ose trámu při ohybovém namáhání spřažených stropních konstrukcí, na teplotu uvnitř spáry a na teplotu spřahovacího prostředku. Zkouška byla provedena na vzorcích typických pro provádění protlačovacích zkoušek (Obr. 4.2).

Obr. 4.3: Zkušební těleso dřevobetonové konstrukce vyšetřované v Pavusu

Zkušební tělesa byla provedena ze starých dřevěných trámů, aby co nejpřesněji simulovala reálné trámové stropy, které nejčastěji vyžadují zesílení. U těchto trámů se jejich stav projevil rychlejším odhoříváním. Z výsledků zkoušky bylo možno pozorovat velký vliv výsušných trhlin, spár a dalších necelistvostí dřevěného průřezu na jeho vlastnosti. Byl rovněž zkoumán vliv požárního zatížení při skutečném požáru na rychlost zuhelnatění a průběh teploty v průřezu [5].

Navržen a ve zkušebně PAVUS odzkoušen byl též celý dřevobetonový strop. Zkouška proběhla za úzké spolupráce s firmami Tesařství Biskup, TESKO ČDZ a SFS intec (Obr. 4.3). Tato zkouška již byla prezentována na semináři ve Volyni v roce 2010.

Na základě provedené požární zkoušky byl následně ověřen výpočetní model kompozitního dřevobetonového stropu a zpracován program pro výpočet kompozitních dřevobetonových stropů při běžné teplotě a za požáru.

5 Závěr

V současné době nabývají dřevobetonové konstrukce na významu po celém světě i u nás, a to především u rekonstrukcí a při realizaci vícepodlažních dřevostaveb. Ve srovnání s dřevěnými trámovými stropy nebo betonovými stropy mají kompozitní dřevobetonové konstrukce mnoho výhod, mezi které patří vysoká únosnost a tuhost stropu, dobrá vzduchová a kročejová neprůzvučnost, rychlá výstavba spojená s menšími náklady a vysoká požární odolnost. Vlastnosti dřevobetonových konstrukcí za požáru jsou velmi dobré. Pro pevnostní a tuhostní vlastnosti kolíkových spojovacích prostředků byly na základě výsledků ze zkoušek především na ETH v Curychu vyvinuty jednoduché rovnice pro výpočet k_mod,fi. Zkoušky spřažení pomocí speciálních spojovacích prostředků a pomocí zářezů a ozubů byly provedeny na University of Canterbury.

Z výsledků dosavadních výzkumů zaměřených na dřevobetonové konstrukce vystavené účinkům vysokých teplot vyplývá několik závěrů:

tuhost spřažení k je při požáru ovlivňována především teplotou dřeva v okolí spřažení a se zvyšující se teplotou rychle klesá;
teplota v okolí nejvíce závisí na vzdálenosti osy spřahovacího prostředku od okraje průřezu, tj. jeho krytí;
bednění betonové desky zamezuje rychlejšímu zvyšování teplot v místě spřažení a zvyšuje požární odolnost betonové stropní desky;
s rostoucí teplotou rychle klesá také únosnost spřažení, která je dána materiálovými vlastnostmi dřeva a spřahovacího prostředku [5].

Poděkování

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu SGS ČVUT „Kompozitní dřevobetonové konstrukce za požáru“.

Literatura

[1] Ceccotti, A.: Timber-concrete composite structures. Timber engineering STEP2. Centrum Hout (NL), 1995.
[2] Frangi A., Fontana M.: A design model for the fire resistance of timber-concrete composite slabs. Proceedings of the IABSE Conference on Innovative Wooden Structure and Bridges. Lahti, Finland, 2001.
[3] Kuklíková, A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce. ČVUT v Praze, Česká republika. Doktorská práce, 2004.
[4] O´Neill J.W.: The fire performance of timber-concrete composite floors. Christchurch, New Zealand. Doctoral thesis, 2009.
[5] Baierle, T.: Kompozitní dřevobetonové stropy při požáru. Sborník semináře doktorandů Katedry ocelových a dřevěných konstrukcí. Stavební fakulta, České vysoké učení technické v Praze, Česká republika, 2006.
[6] Baierle, T., Kuklíková A., Kuklík, P.: Chování koémpozitních dřevobetonových stropních konstrukcí vystavených účinkům požáru, Sborník ze semináře, Volyně 2007.

English Synopsis

Composite wood-concrete structures under fire

It is necessary to perform fire tests of wood-concrete structures of them trying to get as much knowledge that would allow the develop computational models. This paper focuses on describing the problem of composite wood-concrete structures and an overview of new knowledge about their behaviour under fire.