Experiment ČVUT - návrh styčníků ocelových konstrukcí na účinky požáru

publikováno: 9. srpna 2023

Experiment prováděný ČVUT.

Návrh konstrukce na účinky požáru patří mezi mimořádné návrhové situace. Zadání pro statický výpočet vyplývá z požárně bezpečnostního řešení, které je nedílnou součástí projektové dokumentace a jehož hlavním cílem je umožnit evakuaci osob, kontrolovat šíření požáru a umožnit jeho likvidaci. Z hlediska požadavků na nosnou konstrukci existuje několik mezních stavů požární odolnosti. V našem šetření jsme se zabývali mezním stavem „R“, kterým je únosnost a stabilita.

Pro posouzení konstrukce se běžně využívá některého z dostupných výpočtových programů pro globální analýzu konstrukcí. Ty jsou po zadání adekvátní požární kombinace zatížení a požadované doby požární odolnosti schopné na základě zvolené teplotní křivky stanovit výslednou teplotu prutových prvků a případně přímo provést posudek. Posudek prutů ocelových konstrukcí při požární situaci je tak již relativně snadný a dobře integrovaný do dostupných softwarových řešení. Oproti tomu posudek styčníků bývá často konzervativní, zpravidla se využívá doporučení přílohy D ČSN EN 1993-1-2 [1], která dovoluje teplotu komponent styčníků stanovit podle nejvyšší hodnoty poměrů A/V připojených ocelových prvků.

NÁVRHOVÝ MODEL CBFEM

Obr. 1 – Degradace materiálového diagramu oceli S355 při teplotě 560 °C.

Posudek ocelových přípojů za požáru metodou CBFEM je dostupný v programu IDEA StatiCa od verze 22.1 pro teploty zadané uživatelem. Ta může být zadána zvlášť pro každý plech nebo prut. Pro šrouby a svary se odhaduje stejná jako u nejteplejších připojených plechů. Teplotu plechů v přípoji lze stanovit pomocí ČSN EN 1993-1-2, článek 4.2.5: Vývoj teploty ocelových profilů; příloha D.3: Teplota styčníku při požáru [1].

Zatížení se stanovuje dle normy ČSN EN 1990, článek 6.4.3.3: Kombinace zatížení pro mimořádné návrhové situace [2] a ČSN EN 1991-1-2 [3]. Vliv teplotní roztažnosti by měl být uvážen simulací v prostorovém výpočtovém modelu konstrukce, přičemž změna délky prutů může do konstrukce vnést dodatečné síly.

Materiál ocelových plechů se degraduje pomocí křivky v ČSN EN 1993-1-2, tabulka 3.1 [1], kdy se pro mezilehlé teploty využívá lineární interpolace. V metodě CBFEM se používá šestibodový multilineární diagram, který je zjednodušením obrázku 3.1 v normě.

Příklad degradace materiálového diagramu ukazujeme v tabulce 1 a na obrázku 1 pro ocel pevnostní třídy S355 při teplotě 560 °C.
Sklon plastické větve po překročení redukované meze kluzu fy,θ je Ea,θ / 1 000.
V tomto příkladě vycházejí redukční faktory pro modul pružnosti kE,θ = 0,426, mez úměrnosti kp,θ = 0,252 a mez kluzu ky,θ = 0,594.
Uvažuje se, že plastické přetvoření narůstá už od dosažení meze úměrnosti.

Tabulka 1 – Materiálový diagram oceli S 355 při teplotě 560 °C.
	Přetvoření ε [%]	Plastické přetvoření εpl [%]	Napětí σ [MPa]
	0	0	0
fp,θ	0,1	0	89,5
	0,25	0,15	131,4
	0,5	0,4	160,5
	1	0,9	191,3
fy,θ	2	1,9	210,9
	15	14,9	222,5

Únosnost plechů je stanovena při plastickém přetvoření 5 % dle prEN 1993-1-14 [2]. V budoucnu bude prověřena i možnost využití materiálu až do 15 % plastického přetvoření dle ČSN EN 1993-1-2 [1].



Obr. 3 – Porucha šroubu ve smyku – experiment (vlevo) a numerický experiment (vpravo).

Únosnost šroubů a svarů je degradována podle ČSN EN 1993-1-2, tabulka D.1 [1], kdy se pro mezilehlé teploty použije lineární interpolace. Návrhové únosnosti šroubů jsou stanoveny dle článku D.1. Redukční součinitel kb,θ je použit pro všechny únosnosti šroubů, tj. únosnost šroubu ve střihu, v otlačení, v tahu a v protlačení. Dle článku D.1.1.2 se předpokládá, že třecí spoje proklouznou a jsou posouzeny jako nepředepjaté šrouby.

Koutové svary se posuzují dle článku D.2.
Únosnost svaru je redukována součinitelem kw,θ.
V posudcích při požáru je použit součinitel γM,fi = 1,0 místo součinitele γM,2 = 1,25.
Vliv teplotní roztažnosti v přípojích je zanedbán.
Vliv požáru na betonový blok a kotev při posudku kotvení není v normě stanoven.
Beton v tlaku ani únosnost kotev není v CBFEM při požáru posuzována.
Tuhost styčníků za požáru lze odhadovat pomocí přenásobení tuhosti za běžné teploty redukčním součinitelem pro modul průřezu kE,θ, tuhost styčníků ovlivněných požárem při vyšetřovaném požárním scénáři by měla být vložena do prostorového výpočtového modelu konstrukce a při návrhu by mělo být zohledněno přerozdělení vnitřních sil.

Obr. 2 – Geometrie přeplátovaného spoje, fotografie testovací sestavy.

VÝZKUMNÝ EXPERIMENT ČVUT

Na ČVUT v Praze bylo odzkoušeno devět těles dvoustřižných přeplátovaných spojů při teplotách 20 °C, 400 °C a 600 °C, kdy vzorek byl ohříván pod dekou z keramických vláken, a teplota byla udržována během zatěžovacího testu. Všechny vzorky se zatěžovaly stejným způsobem a byly osazeny stejnými měřicími zařízeními. Ocelové plechy měly pevnost S355 a šrouby M16 dosahovaly pevnostní třídy 8.8. Šrouby u všech vzorků selhaly ve smyku. Ve šroubovém spoji zatíženém smykem se posuzovaly šrouby ve střihu a v otlačení, přetržení plechu oslabeného otvory a překročení meze kluzu plechu [5].

Obr. 2 – Vliv zlepšení půdy na změnu struktury

Obr. 4 – Návrhový model CBFEM – z důvodu uchycení pouze jedním šroubem bylo nutné zamezit rotacím na konci plechu.

Obr. 5 – Srovnání experimentů a modelů pro dvojstřižný šroubový spoj.

Numerický experiment byl vytvořen v programu ABAQUS [6] za pomoci 3D konečných prvků, kdy redukční faktory pro materiálový model se přebíraly z ČSN EN 1993-1-2 [1]. Únosnost přípoje se stanovovala výpočtem dle ČSN EN 1993-1-8 [5], tabulka 3.4 a ČSN EN 1993-1-2 [1], příloha D.1.

Vinařství Lahofer – atypický Isokorb pro zavěšení pohledové části sloupu – řez.

Obr. 6 – Srovnání modelů využívajících metodu konečných prvků s výpočtem dle Eurokódu.

Ve výpočtu dle Eurokódu a návrhovém modelu CBFEM byly použity součinitele spolehlivosti – γM2 = 1,25 pro 20 °C a γM,fi = 1,0 pro 400 °C a 600 °C. Z toho pramení rozdíly únosnosti za běžné teploty. Návrhový CBFEM model poskytuje vždy konzervativní únosnost.

Pro šroubový spoj byla vytvořena parametrická studie s proměnnou teplotou, průměrem šroubů, počtem šroubů a vzdáleností k okraji ve směru zatížení. Numerický experiment vykazuje téměř přesnou shodu s výpočtem dle EC. Větší rozdíly jsou pouze pro velmi vysoké teploty, ale stále zůstávají do 10 %. Návrhový model CBFEM je vždy bezpečnější než výpočet dle EC o 5–25 %; průměrně je bezpečnější o 14 %.

VYHODNOCENÍ ÚNOSNOSTI STYČNÍKŮ

Únosnost styčníků při požáru bylo doposud složité vyhodnotit. Styčníky byly opatřovány zbytečně předimenzovanou tepelnou ochranou. To se mění po implementaci výpočtu únosnosti styčníku za požáru do metody CBFEM v softwaru IDEA StatiCa. Materiálový model plechů, svarů a šroubů ve styčníku se upravuje dle zadané teploty a provádí se posudek na zadané zatížení.

Únosnost návrhového modelu šroubového spoje metodou CBFEM je vždy mírně na stranu bezpečnou, což bylo prokázáno srovnáním s experimentem, numerickým experimentem i výpočtem dle Eurokódu.

Tento článek vznikl za podpory projektu FW01010392 Technologické agentury České republiky.

REFERENCE

[1] ČSN EN 1993-1-2: Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1–2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, 2006.

[2] ČSN EN 1990: Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí, ČNI, 2003.

[3] ČSN EN 1991-1-2: Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1–2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požárů, ČNI, 2004.

[4] prEN 1993-1-14: Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1–14: Design assisted by finite element analysis, Draft, CEN, 2022.

[5] ČSN EN 1993-1-8 ed. 2: Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1–8: Navrhování styčníků, Praha, UNMZ, 2013.

[6] ABAQUS, „Analysis User’s Manual, Version 6.14,“ Dassault Systems Simulia Corp, USA, 2000.

[7] DER, Batuhan a František WALD. Experimental and Numerical Studies of Bolted Lap Joints at Elevated Temperature. Ce/papers. 2022, 5(4), 204-209. ISSN 2509-7075. doi:10.1002/cepa.1746

Autoři:

Mgr. Batuhan Der, specializuje se na požární posouzení ocelových konstrukcí, je odborným asistentem na Stavební fakultě ČVUT na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí.

Ing. Martin Vild, Ph.D., specializuje se na navrhování ocelových konstrukcí a návrhy konstrukčních detailů, působí jako odborný asistent na Stavební fakultě při VUT v Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí.

Ing. Vojtěch Chalupa, profesně se zaměřuje na BIM a je produktovým ředitelem IDEA StatiCa.

Prof. Ing. František Wald, CSc., specializuje se na ocelové a kompozitní konstrukce, pracuje na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí na ČVUT, je předsedou akce EU COST TU Integrované požární inženýrství a konstrukce a členem technického výboru TC 10 Connections ECCS.