Požární zkouška skutečné stavby v lokalitě Mokrsko

Pražské České vysoké učení technické (ČVUT) završilo 18. září 2008 praktickou požární zkouškou tříleté přípravy unikátního experimentu v Mokrsku (okres Příbram). Bylo ověřeno chování jednopodlažní administrativní budovy vystavené požáru velkého rozsahu. Test poskytl cenné podklady o rozvoji teplot a chování nosné konstrukce i obvodových plášťů během zahřívání i při chladnutí po požáru. Byla to první akce takového rozsahu v České republice i ve střední Evropě.

Tematicky experiment navázal na sedm velkých požárních zkoušek, které byly uskutečněny na skutečných budovách z oceli, betonu a dřeva v Cardingtonu ve Velké Británii a tato, osmá, je dokladem vysokého kreditu, které v oblasti navrhování požárně odolných staveb mají naši inženýři. Cíle nezvykle rozsáhlé požární zkoušky přiblížil prof. František Wald, z Katedry ocelových a dřevěných konstrukcí Stavební fakulty ČVUT v Praze: “Evropské požární návrhové normy, které umožňují dobře předpovědět chování jednotlivých konstrukčních prvků za zvýšených teplot, vycházejí z výsledků experimentů v laboratorních podmínkách. Ukazuje se však, že to není dostačující. ... Pro zajištění vysoké požární odolnosti staveb a pro spolehlivější ekonomické řešení stavebních konstrukcí jsou k dispozici teoretické podklady a návrhové modely. Jejich ověření zkouškami na skutečných objektech je ale nenahraditelné.”

Hlavním cílem požární zkoušky, jejíž provedení bylo podporováno z národních i mezinárodních grantů, bylo ověřit předpovědi chování konstrukce administrativní budovy vystavené požáru jako celku. Kromě požární odolnosti tří typů stropních konstrukcí bylo otestováno i šest řešení obvodových plášťů s izolacemi z minerální vlny. Očekává se, že výsledky zkoušky umožní využití pokročilých stavebních technologií, dokonalejších metod návrhu, které přinesou zvýšení spolehlivosti a ekonomie při řešení požární odolnosti. Rovněž se počítá, že výsledky se promítnou do národních a evropských požárních návrhových norem. “Účinná ochrana životů, zdraví a majetku před požáry je výsledkem spolupůsobení celé řady faktorů,” říká plk. Rudolf Kaiser, ředitel odboru prevence Generálního ředitelství Hasičského záchranného sboru ČR. “Selhání kteréhokoliv z nich může mít dalekosáhlé následky. A každá příležitost ověřit chování konstrukce v praxi usnadňuje výběr ideální formy protipožární prevence. V případě požáru navíc umožňuje odhadnout situaci s větší přesností a detailněji naplánovat zásah hasičského sboru. V takovém případě je každá minuta drahá,” dodává plk. Kaiser.

Na zkoušce se kromě ČVUT, které je nositelem projektu, podílejí i Ústav teoretické a aplikované mechaniky (ÚTAM AV ČR), Pavus a.s., The University of Sheffield, Slovenská technická univerzita v Bratislavě, Generální ředitelství hasičského záchranného sboru MV ČR, Profesní komora požární ochrany a řada společností odpovídajících za realizaci konstrukce. Experimentální budovu v objemu tří milionů korun financovali sponzoři projektu ArcelorMittal Long Carbon R&D Centre, EXCON a.s., Rockwool a.s., Promat s.r.o., HAIRONVILLE VIKAM s.r.o., Metrostav a.s., TBG Metrostav s.r.o., DYWIDAG PREFA a.s., Kovové profily s.r.o., Kingspan a.s., SGB a Hünnebeck CZ s.r.o., Skála a Vít s.r.o. a další. Mediálním partnerem byl časopis Konstrukce.

Úvod

Analýza chování konstrukce za požáru se stává běžnou praxí při jejím návrhu. Předpověď chování jednotlivých prvků za zvýšených teplot je v evropských normách na velmi vysoké úrovni. Pro přechod od navrhování jednotlivých prvků k ekonomičtějšímu a spolehlivějšímu řešení konstrukce jako celku jsou zkoušky na celých konstrukcích zcela zásadní. Základem takovýchto zkoušek bylo sedm velkých požárních zkoušek na ocelové, jedna na betonové a dvě na dřevěné konstrukci v laboratoři v Cardingtonu ve Velké Británii v letech 1998 až 2003. Od té doby bylo provedeno pět požárních zkoušek na celých budovách. Zkouška v Mokrsku 18.9.2009 rozvinula dosud získané poznatky.

Cíle projektu

Požární zkouška ověřila celkové chování konstrukce vystavené požáru, což nelze uskutečnit pouze na jednotlivých prvcích. Rovněž tak nelze vyvozovat zásadní závěry z požárních testů na laboratorních zmenšeninách.
Zkouška v Mokrsku měla potvrdit správnost pokročilého integrovaného návrhu, který zahrnuje i fázi chladnutí, a změny materiálu během chladnutí a po požáru. Kromě tří typů stropní konstrukce byl ověřen průběh teplot ve styčnících se zvýšenou požární odolností. Přípoje s čelní deskou, které byly optimalizovány metodou komponent, byly částečně požárně chráněny betonovou deskou. Ocelobetonová deska, která během požáru přenášela zatížení membránovým působením, byla spřažena se dvěma typy nosníků, které výraznou úsporou hmotnosti šetří životní prostředí – s prolamovanými stropními nosníky a se stropními nosníky s vlnitou stojinou. Požárně nechráněné prolamované nosníky s variabilním tvarem otvorů ve stojině Angelina se navrhují pomocí pokročilých výpočetních modelů a vynikají moderním estetickým působením. Požárně nechráněné nosníky s vlnitou stojinou umožňují její tloušťku pouze 4 mm. Průvlaky a okrajové nosníky byly řešeny s deskovou požární ochranou. Na jedné čtvrtině stropní konstrukce o rozměrech 6 × 9 metrů byla zkoumána únosnost stropu s předepnutými dutými betonovými panely.

Test mj. sloužil k podrobnému vyšetření rozvoje teploty v požárně chráněných sloupech, které byly v konstrukci kombinovány s požárně nechráněnými stropy. Na stěnách budovy, tvořenými z nosných kazet a trapézových plechů a sendvičových panelů, byl zkoumán přestup tepla a chování za vysokých teplot. Byla měřena teplota, vlhkost a napětí betonových a sádrových stěn vystavených přirozenému požáru.

Konstrukce

Objekt reprezentoval část jednoho podlaží administrativní budovy o rozměrech 18 × 12 m. Ocelobetonová deska byla navržena na rozpětí 9 × 6 m. Sloupy z profilu HEB 180 byly požárně chráněny. Prolamované nosníky o výšce 395 mm byly vyrobeny z IPE 270. Nosníky s vlnitou stojinou měly pásnice šířky 220 mm a tloušťky 15 mm. Stojina byla z plechu tloušťky 2,5 mm o výšce 470 mm. Okrajové nosníky byly z profilu IPE 400. Vodorovná tuhost rámu byla zajištěna betonovou stěnou tloušťky 250 mm a dvěma ztužidly z úhelníků L 100 × 10. Přípoj čelní deskou se zvýšenou požární odolností byl navržen z plechu 10 mm a se čtyřmi šrouby M16. Horní dva byly zabetonovány v desce. Prostě podepřená železobetonová deska byla betonována do trapézových plechů CF46 (Cofraplus 0,75 mm) o celkové tloušťce 120 mm (60 + 60 mm). Krychelná pevnost použitého betonu byla 30 N/mm³ a pevnost výztužné sítě Ø 5 mm 100/100 mm byla 500 MPa. Předepnuté duté panely Spiroll výšky 320 mm byly navrženy na rozpětí 9 m. Dvě obvodové stěny byly tvořeny nosnými kazetami, minerální vlnou a vnějšími trapézovými plechy. Další dvě stěny tvořily sendvičové panely tloušťky 150 mm vyplněné minerální vlnou. Protipožární ochrana sloupů, průvlaků, okrajových nosníků a ztužidel byla řešena pro požární odolnost R60.

Zatížení

Mechanické zatížení bylo navrženo tak, aby odpovídalo běžné administrativní budově, kde se proměnné zatížení pohybuje v rozpětí 2,5 až 3,5 kN/m². Za požární situace je statisticky ověřeno, že mechanické zatížení nedosahuje největších hodnot. Skutečná vlastní tíha zkoušené konstrukce představovala 2,6 kN/m². Při zkoušce bylo proměnné zatížení 3,0 kN/m² vytvořeno pytli s pískem (86 pytlů, každý po 900 kg). Toto zatížení odpovídalo při návrhu na mezním stavu únosnosti za běžné teploty proměnnému zatížení 3,0 kN/m² a zatížení podlahami a příčkami 1,0 kN/m², v charakteristických hodnotách. Použité zatížení překračovalo předpokládanou únosnost, která byla pro zjednodušený model stropní konstrukce vypočítána na 3,49 kN/m2, asi o 60 %. Požární zatížení bylo tvořeno dřevěnými hranoly 50 × 50 × 1000 mm umístěnými na podlaze objektu. Celkem zde bylo rozmístěno 50 hranic po 12 patrech, tj. asi 35,5 kg/m² dřeva což je asi 620 MJ/m². Požární zatížení běžné administrativní budovy při jejím návrhu je stanoveno na 420 MJ/m². Navržené množství paliva přesáhlo o asi 50 % množství, které se nachází v budově tohoto určení. Ventilace byla zajištěna okenními otvory, které odpovídaly moderní podlažní budově. Parapet dosahoval do výšky 1 m a okna měla výšku 2,54 m a celkovou délku 8,00 m. V oknech nebyla skleněná výplň. Maximální teplota plynu, která byla předpovězena parametrickou požární křivkou, 1057 °C měla být dosažena po 60 minutách požáru (obr. 1). Fáze chladnutí byla spočítána na přibližně 90 minut.

Měření

Pro měření teplot bylo plánováno 136 termočlánků, z toho pro měření teploty plynu 12 kusů, styčníků 31 kusů, stropnic 13 kusů, stěn 9 kusů, sloupů 9 kusů, betonové desky 14 kusů a ohraničujících konstrukcí 56 kusů. Deformace byly měřeny na deseti místech konstrukce z lešení, které bylo umístěno 1,5 m nad stropem zkušební budovy. Geodeticky byly deformace měřeny trigonometricky pomocí osmi tyčí na stropě. Sedm tenzometrů, které umožňovaly měřit poměrné deformace při teplotách do 1200 °C, bylo připevněno na stojiny nosníků pro stanovení rozvoje vnitřních sil v konstrukci při požáru. Pět videokamer a tři termokamery snímaly chování konstrukce a rozvoje teplot v konstrukci a ve stěnách.

Vlastní průběh požární zkoušky

Byli jsme si vědomi, že podrobné vyhodnocení tohoto výjimečného experimentu s velkým množstvím nashromážděných dat je záležitost na delší dobu i to, že kompletní závěrečná zpráva zabere mnohem více, že jen několik stran v časopise. Přesto jsme požádali profesora Františka Walda (Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, České vysoké učení technické v Praze) o krátké shrnutí. S laskavostí pana profesora, kterému zároveň touto cestou děkujeme, jej nyní přinášíme čtenářům:

Požární zkouška byla zaměřena na zpřesnění popisu chování prvků a spojů v konstrukci při požáru. Výsledky umožňují zvýšit spolehlivost návrhu konstrukce vystavené zvýšené teplotě pomocí pokročilých modelů, předpověď teploty v požárním úseku, přestupu a rozvoje tepla v konstrukci a chování konstrukce vystavené zvýšeným teplotám. Při požáru se měřila teplota v asi 200 bodech, celkové i poměrné deformace, tlaky par, vlhkost, sálání z konstrukce na konstrukci uvnitř požárního úseku i na ocelovou konstrukci vně před okenním otvorem, prostup plynů pláštěm a klimatické podmínky při zkoušce. Chování je zdokumentováno video a termo kamerami.

•

Požární zatížení 619,8 MJ/m² bylo vyvozeno hranoly dřeva o průměrné vlhkosti 15,7 %, což odpovídá asi 111 %zatížení, které se předpokládá v administrativní budově. V požárním úseku byla změřena nejvyšší teplota plynu 935 °C. Výpočtem zónovým modelem se konzervativně předpokládalo, že by teplota mohla dosáhnout až 1057 °C. Vlivem odnímání tepla masivní betonovou stěnou byla levá část požárního úseku podle předpokladu chladnější, pouze nejvýše 855 °C. Teplotní křivka v pravé části požárního úseku se skoro kryje s normovou nominální teplotní křivkou. V 60. minutě požáru zde byla naměřena teplota 930 °C.

Obr. 3: Pohled do požárního úseku krátce před prostorovým vzplanutím.

Ocelobetonová deska přenášela od 23. minuty požáru většinu zatížení. Nechráněné prolamované ocelové nosníky měly v té době asi 480 °C a průhyb 135 mm a jejich únosnost se začala redukovat. Ve 34. minutě požáru měly již teplotu 770 °C a průhyb 378  mm, čemuž odpovídá únosnost asi 10 %. Jak se předpokládalo, k porušení desky došlo v 62. minutě požáru na počátku fáze chladnutí při změřené teplotě nosníků 895 °C. V té době byla namáhána na asi 167 % únosnosti, která byla stanovena podle zjednodušeného návrhového modelu pro dané mechanické a požární zatížení.

•

Ocelobetonovou desku nad ocelovými požárně nechráněnými nosníky s vlnitou stojinou se nepodařilo porušit. Nosníky dosáhly největšího průhybu 256  mm a nejvyšší teploty 780 °C. Membránové působení ocelobetonové desky se projevilo od 20. minuty požáru, kdy teplota nosníku překročila 450 °C a plně se rozvinulo ve 32. minutě požáru, kdy dosáhla 715 °C a únosnost nosníků byla redukována na pouze 15 %.

Obr. 4: Průhyb prolamovaných nosníků Angelina.

Třetí část stropu byla tvořena dutými předepnutými betonovými panely. Tato část stropu se prohnula pouze 100 mm. Bylo ověřeno jejich chování za vysokých teplot a jejich 60 minut trvající požární odolnost.

Součástí zkoušky byl i vývoj spojů se zvýšenou požární odolností. Teplota dolní části spoje dosáhla 520 °C, při teplotě nosníku 935 °C. Teplota spoje, který byl zakryt ocelobetonovou deskou, nepřekročil 195 °C. Spoje se před porušením desky plasticky deformovaly.

Obr. 5: Celkový pohled na porušenou ocelobetonovou desku.

Před oknem požárního úseku byl instalován ocelový sloup, který představoval ocelovou konstrukci vně požárního úseku. Jeho teplota a teplota plynu v jeho okolí byla měřena pomocí 16 termočlánků. Teplota konstrukce dosáhla 400 °C a plynu 550 °C.

Důležitou součástí zkoušky bylo ověření požární odolnosti sendvičových panelů a skládaného pláště s izolací z kamenné vlny. Při nejvyšší teplotě vnitřního povrchu pláště 930 °C nepřekročily povrchové teploty vnějšího pláště kritéria požární odolnosti podle evropské zkušební metodiky. U skládaného pláště dosáhla teplota vnitřního líce špičkově až 1055 °C. Přírůstek teploty vnější strany stěnových plášťů s kazetami dosáhl průměrných hodnot menších než 100 K, v maximu 114 K. Ve dvou 6 m polích bylo porovnáno chování dvou systémů skládaného pláště – s nosným meziroštem a vodorovným plechem a svislým vnějším plechem bez roštu. K porušení pláště do 60. minuty zkoušky nedošlo. (František WALD, Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, ČVUT Praha).

Podrobnější informaci naleznete v dokumentu ČVUT Praha POŽÁRNÍ ZKOUŠKA NA EXPERIMENTÁLNÍM OBJEKTU V MOKRSKU – Zpráva ze zkoušky, kterou po kliknutí otevřete v novém okně.