Spis tre ci
1. Wprowadzenie
2. Bezpiecze stwo po arowe konstrukcji
2.1. Podstawy formalno-prawne
2.2. Po ar w budynku
2.2.1. Powstawanie, rozwój i przebieg po
2.2.2. Normowe zale no ci czas–temperatura
2.2.3. Zaawansowane normowe modele po aru
2.2.4. Modelowanie rzeczywistego przebiegu po aru
2.3. Odporno ogniowa konstrukcji
2.3.1. Istota poj cia odporno ogniowa, stawiane wymagania
2.3.2. Okre lenie odporno ci ogniowej na podstawie bada
2.3.3. Okre lenie odporno ci ogniowej na podstawie wymaga eurokodów
3. Po ar jako wyj tkowa sytuacja projektowa
3.1. Istota rozpatrywania po aru jako wyj tkowej sytuacji projektowej, etapy analizy
3.2. Scenariusz po arowy
3.3. Oddzia ywania mechaniczne w sytuacji po aru
3.4. Temperatura w przekrojach elementów nara onych na warunki po arowe
4. Wp yw wysokiej temperatury na w a ciwo ci mechaniczne stali zbrojeniowej
4.2. Odkszta cenia zbrojenia w temperaturze po arowej, wykorzystanie modelu normowego do zaawansowanych analiz konstrukcji
4.3. Wykorzystanie modelu normowego do oblicze prowadzonych metodami uproszczonymi
4.4. Model normowy w wietle wyników bada i innych wymaga
Spis tre ci
5. Wp yw wysokiej temperatury na beton
5.1. Badania betonu w wysokiej temperaturze
5.2. Cechy mechaniczne ogrzewanego betonu w uj ciu normowym
5.3. Przemiany zachodz ce w betonie pod wp ywem dzia ania wysokiej temperatury
5.4. Wp yw wytrzyma o ci betonu na jego reakcj na dzia anie wysokiej temperatury
5.5. Wp yw rodzaju kruszywa i cementu
5.6. Odpryskiwanie termiczne betonu
5.7. Odkszta calno betonu w warunkach po arowych
5.8. Wytrzyma o ogrzewanego betonu po och odzeniu
5.9. Wp yw napr e ciskaj cych wyst puj cych w ogrzewanym betonie
5.10. Zmniejszenie wytrzyma o ci ogrzewanego betonu wg zalece ameryka skich
6. Uproszczone metody obliczania no no ci elementów elbetowych
6.1. Uwagi ogólne.
6.2. Metoda Izotermy 500°C
6.2.1. Za o enia
6.2.2. Okre lenie po o enia izotermy 500°C i temperatury zbrojenia
6.2.3. Okre lenie no no ci przekroju zredukowanego
6.3. Pozosta e, uproszczone metody oblicze
6.3.1. Metoda Strefowa
6.3.2. Uproszczone metody oblicze elementów cinanych i skr canych.
6.3.3. Uproszczona metody oblicze belek i p yt
7. Zapewnienie odporno ci ogniowej elementów zginanych
7.1. Projektowanie przy wykorzystaniu tablic
7.1.1. Podstawowe za o enia i zakres stosowania tablic podanych w eurokodzie
7.1.2. P yty
7.1.3. Belki
7.1.4. Tablice podane w normie ameryka skiej
7.2. Obliczenie no no ci przekroju elementów zginanych metod Izotermy 500°C
7.2.1. Równania równowagi przekroju
7.2.2. Graniczna wysoko strefy ciskanej przekroju .
150
152
152
155
7.2.3. Odleg o osiowa zbrojenia, jak nale y przyj do oblicze . . 160
7.3. Przyk ady oblicze no no ci ogniowej elementów zginanych
7.3.1. Uwagi ogólne .
163
163
7.3.2. P yta jednoprz s owa ogrzewana od strony strefy rozci ganej. . 163
7.3.3. P yta wspornikowa ogrzewana od spodu (od strony strefy ciskanej) .
7.3.4. Stosunkowo s abo zbrojona belka elbetowa ogrzewana od strony strefy rozci ganej
167
170
Spis tre ci
7.3.5. Belka wspornikowa ogrzewana od spodu (od strony strefy ciskanej) . .
7.3.6. Belka wspornikowa wg punktu 7.3.5. – obliczenia metod Strefow .
7.3.7. Intensywnie zbrojona belka elbetowa ogrzewana ze wszystkich stron .
7.3.8. Obliczenia belki wg punktu 7.3.7 przy za o eniu, e ogrzewane jest tylko zbrojenie
7.3.9. Belka dwuprz s owa
7.4. Reakcja elementów zginanych na warunki po arowe w wietle wyników bada
7.4.1. Uwagi ogólne
7.4.2. Zmniejszenie no no ci elementów
7.4.3. Deformacje elementów i zmiany ich sztywno ci
7.5. Wskazówki do prowadzenia zaawansowanych analiz konstrukcji statycznie niewyznaczalnych
8. Zapewnienie odporno ci ogniowej elementów ciskanych
8.1. Projektowanie przy wykorzystaniu tablic
8.1.1. Podstawowe za o enia
8.1.2. Metody podane w tek cie eurokodu
8.1.3. Prognozowanie no no ci ogniowej s upów z uwzgl dnieniem efektów drugiego rz du wg eurokodu
8.1.4. Wymagania stawiane w przepisach ameryka skich
8.2. Obliczenia no no ci s upów metod Izotermy 500°C
8.2.1. Za o enia i równania równowagi przekroju
8.2.2. Dodatkowe problemy mog ce powsta podczas okre lenia no no ci elementów ciskanych nara onych na warunki po arowe .
8.3. Przyk ady oblicze no no ci ogniowej elementów ciskanych
8.3.1. Uwagi ogólne . .
8.3.2. Przekrój s upa ogrzewanego ze wszystkich stron, obci onego si usytuowan w pobli u osi
8.3.3. Przekrój s upa ogrzewanego ze wszystkich stron, obci onego si usytuowan poza przekrojem
8.3.4. Przekrój s upa ogrzewanego od strony zbrojenia mniej ciskanego, obci onego si usytuowan w pobli u osi
8.3.5. Przekrój s upa ogrzewanego od strony zbrojenia bardziej ciskanego, obci onego si usytuowan w pobli u osi . . . .
8.3.6. Uproszczona analiza wp ywu efektów drugiego rz du na s up nara ony na warunki po arowe, przeprowadzona na podstawie po czenia za o e metody Izotermy 500°C z za o eniami metody Nominalnej sztywno ci
8.3.7. Uproszczona analiza wp ywu efektów drugiego rz du na s up nara ony na warunki po arowe przeprowadzona na podstawie po czenia za o e metody Izotermy 500°C z za o eniami metody Nominalnej krzywizny
173
176
177
182
185
206
206
210
214
214
214
223
227
232
236
244
Spis tre ci
8.3.8. Przekrój s upa o wi kszych wymiarach przekroju, ogrzewanego ze wszystkich stron, obci onego si usytuowan w pobli u osi
8.3.9. Przekrój s upa o du ych wymiarach przekroju, ogrzewanego ze wszystkich stron, obci onego si usytuowan w pobli u osi
8.4. Wyniki przyk adowych oblicze w wietle Wymaga tabelarycznych i wyników bada .
8.4.1. Obliczenia no no ci przekroju s upa o wymiarach 30 × 30 cm . .
8.4.2. Obliczenia z uwzgl dnieniem wp ywu efektów drugiego rz du wg eurokodów
8.4.3. Wp yw wymiarów przekroju s upa na wynik oblicze jego no no ci ogniowej
8.4.4. Wyniki oblicze w wietle Wymaga tabelarycznych uwzgl dniaj cych wyboczenie
8.4.5. Badania eksperymentalne no no ci ogniowej s upów
8.5. Uwagi ko cowe
9. No no ogniowa strefy przypodporowej
9.1 cinanie
9.1.1. Uwagi ogólne
9.1.2. Przyk ad obliczenia no no ci ogniowej na cinanie belki swobodnie podpartej ogrzewanej od spodu
9.1.3. Przyk ad obliczenia no no ci ogniowej na cinanie belki wspornikowej ogrzewanej od spodu
9.2. Przebicie
9.2.1. Wymagania normowe
9.2.2. No no ogniowa na przebicie w wietle do wiadcze praktycznych, wyników bada i oblicze
9.2.3. Zapewnienie no no ci ogniowej na przebicie przy d ugim czasie po aru
9.2.4 Obliczeniowa ocena no no ci na przebicie w warunkach po arowych metodami uproszczonymi
2.2.2. Normowe zale no ci czas–temperatura
Najprostszym i jednocze nie najmniej pracoch onnym sposobem okre lenia oddzia ywania po aru na konstrukcj lub inne elementy obiektu budowlanego jest przyj cie do analizy tzw. po aru nominalnego [N21, N23]. W praktyce sprowadza si to do zastosowania jednej z normowych zale no ci czas–temperatura [N21, N12]. Opisuj one wzrost temperatury gazów w pomieszczeniu ogarni tym po arem jednostrefowym, tzn. takim, w którym zak ada si równomierny, zale ny od czasu rozk ad temperatury w ca ej przestrzeni ogarni tej po arem.
W analizach obliczeniowych oraz w badaniach reakcji elementów budowlanych na warunki po arowe (badaniach odporno ci ogniowej omówionych dalej) najcz ciej jest stosowana tzw. krzywa standardowa. Jest ona opisana równaniem [N21, N12]:
= 20 + 345log10(8t + 1) (2.1)
Krzywa standardowa okre la umownie wzrost temperatury gazów podczas po aru w pe ni rozwini tego w zwyk ym niewysokim pomieszczeniu, np. mieszkalnym, biurowym, u yteczno ci publicznej. Jest to tzw. po ar celulozowy. Krzywa o praktycznie takim samym przebiegu, cho nieopisana równaniem, lecz podanymi warto ciami temperatury w poszczególnych odst pach czasu, jest rekomendowana w [N2] (tzw. krzywa ASTM). Wed ug [N21] W konstrukcjach, w stosunku do których w adze krajowe ustalaj wymagania w zakresie odporno ci ogniowej konstrukcji, mo na przyjmowa , e odpowiedni po ar obliczeniowy jest po arem standardowym, je eli nie ustalono inaczej.
Na rysunku 2.3 przedstawiono wzrost temperatury w funkcji czasu, okrelony wg krzywej standardowej oraz innych krzywych normowych [N21, N12, N16].
Krzywa w glowodorowa [N21] mo e by stosowana podczas prognozowania przebiegu wzrostu temperatury gazów w przypadku po aru magazynów paliw lub podobnych obiektów. Krzywa po aru zewn trznego [N21, N12] okre la wzrost temperatury mog cej dzia a na zewn trzne elementy budynku, np. w wyniku wydostawania si p omieni przez otwory okienne. Krzywa powolnego nagrzewania [N12] (tzw. po ar tl cy si ) mo e by stosowana wtedy, kiedy oddzia ywanie po aru na elementy budowlane 2. Bezpiecze
2.2. Po ar w budynku
standardowa węglowodorowa pożaruzewnętrznego powolnegonagrzewania
0306090120150180210240
Rys. 2.3. Normowe krzywe czas–temperatura [N21, N12, N16]
mo e mie znaczenie w fazie jego rozwoju. Podczas rozpatrywania tzw. po aru seminaturalnego [N12] temperatura gazów w s siedztwie su tu pomieszczenia powinna osi gn warto 1000oC mi dzy 10. a 20. minut od pocz tku badania. W praktyce tak szybki wzrost temperatury mo e by trudny do osi gni cia w piecu badawczym i dlatego oddzia ywanie po aru seminaturalnego mo e by symulowane za pomoc spalanego stosu drewna. Do bada niektórych elementów budowlanych [N12] mo e by te stosowane oddzia ywanie temperatury ustalonej (tzw. oddzia ywanie temperatury o sta ym poziomie), wynosz cej: 200oC – do oceny drzwi dymoszczelnych w podwy szonej temperaturze, 500oC – do oceny pod óg podniesionych lub 1000oC – do oceny odporno ci na po ar sadzy, kominów i wyrobów kominowych.
Przy okazji omawiania normowych zale no ci czas–temperatura odnoszcych si do po aru w budynkach warto zwróci uwag , e przebieg tego zjawiska w tunelach mo e by znacznie bardziej gwa towny, a temperatura mo e osi ga wi ksze warto ci. Jest to spowodowane du ilo ci ciep a mog cego si wydziela bardzo gwa townie podczas zapalenia si samochodów i przewo onego przez nie adunku oraz warunkami sprzyjaj cymi rozwojowi po aru wyst puj cymi zazwyczaj w tunelu. Obiekt taki jest przecie pewnego rodzaju kominem. Na rysunku 2.4, na tle krzywej standardowej, przedstawiono wybrane normowe zale no ci s u ce do okre lenia wzrostu temperatury podczas po aru w tunelu [55, 27].
Wynikiem badania jest czas, po którym element próbny przestaje spe nia za o one kryteria. Czas ten jest w a nie odporno ci ogniow w dziedzinie b d cej przedmiotem badania.
Podstawowe informacje na temat procedur badawczych, wg których elementom budynków s przypisywane klasy odporno ci ogniowej, podano w [N12]. Norma ta odnosi si do praktycznie wszelkiego rodzaju elementów budowlanych, wykonanych z ró nego rodzaju materia ów. Odporno ogniowa mo e by okre lona w dziedzinie: no no ci (R), szczelno ci (E), izolacyjno ci (I), odporno ci na promieniowanie (W), odporno ci na dzia anie mechaniczne, tzn. uderzenie (M), samoczynne zamykanie (C), dymoszczelno (S), odporno na po ar sadzy (G) oraz zdolno do zabezpieczenia ogniochronnego (K). Elementy konstrukcji elbetowych s jednak w praktyce najcz ciej klasy kowane jedynie w dziedzinach no no ci, szczelno ci i izolacyjno ci oraz niekiedy – odporno ci na uderzenie.
Informacje na temat bada odporno ci ogniowej s podane w [N13 i N14]. W normach tych przedstawiono szczegó y dotycz ce wyposa enia stanowisk badawczych, dok adno ci sprz tu pomiarowego, dok adno ci krzywych nagrzewania odwzorowuj cych umownie przebieg ró nego rodzaju po arów, przygotowania i monta u elementów próbnych oraz kryteriów, wg których jest oceniana odporno ogniowa w poszczególnych dziedzinach. Wymagania na temat prowadzenia bada odporno ci ogniowej poszczególnych elementów no nych ró nego rodzaju s podane w [N15–N18].
Wed ug [N12] no no ogniowa to zdolno elementu konstrukcji do wytrzymania oddzia ywania ognia przy okre lonych oddzia ywaniach mechanicznych, na jedn lub wi cej powierzchni, przez okre lony czas, bez utraty w a ciwo ci no nych, natomiast wg [N13] parametr ten to zdolno elementu próbnego no nego elementu konstrukcji do utrzymania obcienia badawczego bez przekraczania okre lonych kryteriów pod wzgl dem wielko ci i pr dko ci przemieszczenia. Przytoczone de nicje s w zasadzie zbie ne, lecz ró ni si szczegó ami. Lepszym rozwi zaniem by oby, gdyby we wszystkich normach oznaczonych symbolem EN (PN-EN) de nicje zosta y ujednolicone.
Podczas badania odporno ci ogniowej stropów [N16] element próbny jest najcz ciej montowany jako su t lub fragment su tu komory pieca. Od strony górnej, nieogrzewanej jest przyk adane obci enie, przy czym warto podkre li , e wg [N16] wyt enie elementu próbnego podczas badania powinno by zaproponowane przez zleceniodawc , a tzw. poziom obcienia powinien by odniesiony do no no ci elementu w zwyk ej temperaturze, okre lonej eksperymentalnie lub obliczeniowo przy uwzgl dnieniu rzeczywistych w a ciwo ci mechanicznych materia ów. Od strony dolnej
2.3. Odporno ogniowa konstrukcji
element jest ogrzewany, najcz ciej dzi ki spalaniu w komorze pieca gazu ziemnego lub ewentualnie (dawniej) oleju opa owego. Podczas badania odporno ci ogniowej cian [N15] element próbny najcz ciej jest montowany jako jedna ze cian komory pieca. W niektórych, innych badaniach stosuje si spalanie stosu drewna. Piece elektryczne ogólnie nie s stosowane do bada odporno ci ogniowej, g ówne z uwagi na du moc potrzebn do zasymulowania warunków po arowych w du ej komorze pieca. Na rysunku 2.7 przedstawiono stanowiska (piece) s u ce do badania odporno ci ogniowej, znajduj ce si w Laboratorium Bada Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej w Pionkach. a)b)
Rys. 2.7. Stanowiska (piece) s u ce do badania odporno ci ogniowej, znajduj ce si w Laboratorium Bada Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej w Pionkach (fot. A. Blachni-Pawlikowska/Archiwum ITB): a) piec pionowo-poziomy, jednokomorowy, o wymiarach ciany komory (szeroko × wysoko × g boko ) 5,0 × 4,5 × 3,0 m, s u cy do badania np. cian, drzwi i dachów; b) piec poziomo-pionowy, trójkomorowy, o wymiarach pojedynczej komory w rzucie (szeroko × d ugo × wysoko ) 3,3 × 4,3 × 3,5 m ( czna d ugo pieca, po usuni ciu cian wewn trznych i po czeniu wszystkich komór, wynosi 11,3 m), s u cy do badania np. stropów, belek, dachów, s upów, kana ów i klap ppo ., maksymalne obci enie 5000 kN
5. Wp yw wysokiej temperatury na beton
eksplozyjnym odpryskiwaniem termicznym (ang. explosive thermal spalling). Z punktu widzenia bezpiecze stwa konstrukcji nie ró ni si ono zasadniczo od zwyk ego odpryskiwania, ale mo e powodowa istotne zagro enie bezpiecze stwa ludzi. Niekiedy fragmenty betonu mog by odrzucane od jego powierzchni z tak du pr dko ci , e nie s widoczne go ym okiem. Znany jest przypadek, gdy podczas po aru tunelu pod kana em La Manche w 1996 r. [174, 156, 65, 71] gwa townie (eksplozyjnie) odpryskuj ce fragmenty betonu stanowi y tak du e zagro enie bezpiecze stwa ekip ratowniczych, e by o to przyczyn powstrzymania przemieszczania si ratowników do wn trza tunelu.
Niekiedy zamiast odrywania si od konstrukcji kawa ków betonu mo e wystpi systematyczne uszczenie si jego powierzchni [129, 126, 127]. W takim przypadku na do du ym obszarze, ju w pocz tkowej fazie ogrzewania odpada stosunkowo cienka warstwa betonu, np. grubo ci 3–5 mm (por. rysunek 5.10). Gwa towne ogrzewanie ods oni tej powierzchni betonu powoduje stosunkowo szybkie odpadanie podobnych kolejnych cienkich warstw.
Rys. 5.8. Odpryskiwanie betonu p yty stropowej [fot. autora]
Rys. 5.9. Odpryskiwanie betonu p yty balkonu [fot. autora]
5. Wp yw wysokiej temperatury na beton
