Projektowanie zabezpiecze ogniochronnych konstrukcji elbetowych wzmocnionych zewn trznym zbrojeniem doklejanym z uwagi na warunki po arowe

Transkrypt

1 Budownictwo i Architektura 12(1) (2013) Projektowanie zabezpiecze ogniochronnych konstrukcji elbetowych wzmocnionych zewn trznym zbrojeniem doklejanym z uwagi na warunki po arowe Piotr Turkowski 1 1 Zakład Bada Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, e mail: p.turkowski@itb.pl Streszczenie: Praca opisuje zagadnienia zwi zane z projektowaniem elbetowych konstrukcji wzmocnionych zewn trznym zbrojeniem doklejanym, z uwagi na warunki po arowe. W pierwszej cz ci przedstawiono schemat blokowy, na podstawie którego ustali mo na, czy zabezpieczenie zbrojenia doklejanego jest potrzebne, czy te mo na je pomin. W drugiej cz ci pokazano, jak takie ewentualne zabezpieczenie ogniochronne powinno zosta wykonane. Ponadto przedstawiono procedur badania i oceny skuteczno ci ogniochronnej zabezpiecze ta m stanowi cych zewn trzne doklejane zbrojenie elementów elbetowych, wdro on w Laboratorium Bada Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej. Słowa kluczowe: konstrukcje elbetowe, FRP, projektowanie na warunki po arowe, systemy zabezpiecze ogniochronnych. 1. Wprowadzenie Zewn trzne zbrojenie doklejane stosowane jest coraz powszechniej. Potrzeba ta najcz ciej wynika ze zmiany sposobu u ytkowania budynku, która mo e skutkowa konieczno ci uwzgl dnienia dodatkowych obci e, lub z powodu bł dów wykonawczych b d projektowych. Zbrojenie FRP (ang. Fibre-Reinforced Plastic) to materiały kompozytowe z ró nego rodzaju włóknami: szklanymi (GFRP ang. Glass Fibre-Reinforced Plastic), w glowymi (CFRP ang. Carbon Fibre-Reinforced Plastic), aramidowymi (AFRP ang. Aramid Fibre-Reinforced Plastic). Włókna osadza si w matrycy ywicznej, która stanowi spoiwo i słu y do przenoszenia obci e na te włókna. Kompozyty produkuje si w postaci ta m, zazwyczaj o szeroko ci od 50 do 100 mm albo mat. Wytrzymało na rozci ganie kompozytów FRP si ga 1500 MPa, o wiele wi cej w porównaniu do zwyczajnej mi kkiej stali zbrojeniowej 235 MPa. W wyj tkowej sytuacji obliczeniowej, z uwagi na współczynniki redukcyjne obci e, zbrojenie doklejane mo e nie by obliczeniowo wymagane. Je li jednak konstrukcyjnie nadal wymaga si wzmocnienia, nawet przy zredukowanych obci eniach, wtedy, chc c zapewni spełnienie kryterium no no ci ogniowej R elementu, nale y to zbrojenie zabezpieczy ogniochronnie. Najcz stszym bł dem popełnianym przez projektantów lub in ynierów budowy jest pozostawianie kompozytów FRP (b d innego zbrojenia) doklejanych niezabezpieczonymi lub niewystarczaj co zabezpieczonymi, bez sprawdzenia, czy zachowane zostan wła ciwo ci u ytkowe konstrukcji w warunkach po arowych. Dzieje si tak z powodu niewiedzy b d bł dnych zało e : przyjmowanie złej temperatury krytycznej wzmocnienia (np. 500 C jak dla stali), a nie temperatury szklenia kleju (od ok. 50 do 100 C).

2 180 Piotr Turkowski Rys. 1. Przykładowe zabezpieczenia konstrukcji elbetowych: płyt (po lewej) i belek (po prawej) zbrojeniem doklejanym (zdj cia firmy Radyab Company) 2. Projektowanie z uwagi na warunki po arowe Projektowanie z uwagi na warunki po arowe uwzgl dnia zmienne wraz z temperatur wła ciwo ci materiałowe zarówno fizyczne, jak i mechaniczne. Ponadto obliczenia wytrzymało ciowe wykonuje si przy innych kombinacjach obci e. Oddziaływania termiczne na konstrukcje w warunkach po aru zostały zdefiniowane w PN-EN [1] i w zale no ci od przepisów krajowych, przyjmowa mo na oddziaływanie po aru standardowego lub naturalnego. Ze wzgl du na przyj cie przez norm PN-EN [2] oddziaływania standardowego przy definicji klas odporno ci ogniowej, tylko takie oddziaływanie b dzie rozpatrywane w dalszej cz ci pracy. Zgodnie z PN-EN 1990 [4], w zale no ci od kategorii obci enia zmiennego w budynkach, warto współczynnika 1 wynosi od 0,2 do 0,9, a współczynnika 2 od 0 do 0,8, co w znacz cy sposób obni a przyjmowane warto ci obci e w sytuacji po arowej. Ze wzgl du na mo liwy bardzo niebezpieczny mechanizm zniszczenia elbetowych konstrukcji wzmocnionych FRP kruchego p kania, zbrojenie doklejane mo e pozosta niezabezpieczone jedynie wtedy, gdy element elbetowy jest w stanie przenie obci enia wynikaj ce z wyj tkowej kombinacji projektowej. W przeciwnym przypadku, kompozyty FRP musz by zabezpieczone w taki sposób, by przez cały czas, wynikaj cy z wymaganej klasy odporno ci ogniowej, zapewni niezb dne wzmocnienie konstrukcji, czyli w praktyce zachowa 100% swojej no no ci. Oceny konieczno ci zabezpieczania zewn trznego zbrojenia mo na dokona zgodnie z PN-EN [3]. W pierwszym kroku nale y ustali współczynnik redukcyjny dla obliczeniowego poziomu obci enia w sytuacji po arowej. Kombinacja oddziaływa w przypadku wyj tkowych sytuacji obliczeniowych: Gk+ ψ1,1 Qk,1 + ψ2, iqki, + Ad ( t) (1) Kombinacja oddziaływa w przypadku trwałej sytuacji obliczeniowej: γ G, jgk, j+ γ Q,1 Qk,1 + γ ψ Qi, 0, iqki, (2) Współczynnik redukcyjny fi dla powy szych kombinacji: G + ψ Q η fi = γ G + γ Q k fi k,1 G k Q,1 k,1 gdzie: G k warto charakterystyczna oddziaływa stałych, Q k,1 warto charakterystyczna podstawowego oddziaływania zmiennego, Q k,i warto charakterystyczna pozostałych oddziaływa zmiennych, A d (t) warto obliczeniowa oddziaływa spowodowanych po arem, G współczynnik cz ciowy dla oddziaływa stałych (zwykle 1,35), (3)

3 Konstrukcje Betonowe Projektowanie zabezpieczeń ogniochronnych Q współczynnik cz ciowy dla oddziaływa zmiennych (zwykle 1,50), 1,1, 2,i współczynniki kombinacyjne dla obci e. Warto współczynnika redukcyjnego fi zale y od stosunku podstawowego obci enia zmiennego do obci e stałych (Q k,1 / G k ), współczynników cz ciowych G i Q dla obci e stałych i zmiennych, oraz od współczynnika kombinacyjnego dla obci e zmiennych fi, który mo e by przyjmowany jako 1,1 lub 2,1. Zgodnie z Zał cznikiem Krajowym do PN-EN [1] zaleca si przyjmowanie współczynnika kombinacyjnego fi = 1,1 (warto cz sta). Zale no zilustrowano na Rysunku 2. Zgodnie z PN-EN [3] dopuszcza si jako bezpieczne przyjmowanie, z pomini ciem dokładniejszej analizy, współczynnika redukcyjnego obci e o warto ci fi = 0,7. Zaleca si jednak obliczy jego dokładn warto, gdy w rzeczywisto ci jego warto b dzie cz sto ni sza. Rys. 2. Zmienno współczynnika redukcyjnego obci e w warunkach po arowych Po ustaleniu powy szych kombinacji oddziaływa, dla wyj tkowej i trwałej sytuacji obliczeniowej nale y okre li no no konstrukcji elbetowej bez wzmocnienia zbrojeniem doklejanym, w warunkach po arowych. Norma PN-EN [3] podaje łatwe w stosowaniu dane tabelaryczne, zaleca si jednak przeprowadzi szczegółow analiz metod izotermy 500 C lub metod strefow obie opisane z Zał czniku B do PN-EN [3], jako e dadz one dokładniejsze wyniki, cz sto wy sz klas odporno ci ogniowej elementu. Je li element elbetowy, z pomini ciem zbrojenia doklejanego, zachowuje no no w warunkach po arowych przez czas okre lony w wymaganej klasie odporno ci ogniowej, zbrojenie doklejane mo e pozosta niezabezpieczone. Zdarzy si mo e, e konstrukcja elbetowa jest w stanie przenie całe obci enie wynikaj ce z wyj tkowej kombinacji obci e, lecz tylko w warunkach normalnych. W takim przypadku zabezpieczenie ogniochronne powinno zosta dobrane z uwagi na zachowanie no no ci elementu elbetowego, a zbrojenie doklejane mo na pomin. W pozostałych przypadkach, kiedy dodatkowe zbrojenie FRP jest wymagane w sytuacji po arowej, projektuj c zabezpieczenie ogniochronne za temperatur krytyczn cr nale y przyj temperatur szklenia kleju (np. 62 C), na powierzchni styku elementu elbetowego i zabezpieczenia ogniochronnego. Schemat blokowy post powania przedstawiono na Rysunku 3.

4 182 Piotr Turkowski Kombinacja obci e w trwałej sytuacji obliczenioweje d Kombinacja obci e w wyj tkowej sytuacji obliczeniowej E d,fi Współczynnik redukcyjny fi No no elementu elbetowego bez wzmocnienia zbrojeniem doklejanym w warunkach normalnych R d,rc R d,rc E d,fi TAK NIE ZABEZPIECZENIE OGNIOCHRONNE WYMAGANE DLA ZBROJENIA DOKLEJANEGO No no elementu elbetowego bez wzmocnienia zbrojeniem doklejanym w warunkach po arowych R d,t,fi,rc NIE WYMAGA SI ZABEZPIECZENIA OGNIOCHRONNEGO TAK R d,t,fi,rc E d,fi NIE ZABEZPIECZENIE OGNIOCHRONNE WYMAGANE DLA ELEMENTU ELBETOWEGO Rys. 3. Schemat blokowy ustalania elementów wymagaj cych zabezpieczenia ogniochronnego 3. Systemy zabezpiecze ogniochronnych i procedura badawcza Ze wzgl du na niskie warto ci temperatury szklenia kleju kompozytów FRP ( C) i zazwyczaj długie okresy oddziaływania po aru (60 minut i wi cej), stosuje si płytowe systemy zabezpiecze ogniochronnych lub zaprawy ogniochronne. W chwili obecnej, adna z norm EN nie podaje metody badawczej, która pozwoliłaby oceni skuteczno ogniochronn zabezpiecze na elementach elbetowych wzmocnionych zbrojeniem doklejanym. Procedura badawcza podana w PN-ENV [5] standardowo wymaga dwóch bada dla ka dego z typów zabezpieczanych elementów (stropów, belek) jednego przy minimalnej grubo ci zabezpieczenia, drugiego przy maksymalnej. Ze wzgl du na znaczne ró nice w poziomie dobieranych temperatur krytycznych dla elementów elbetowych, próby te przeprowadza si przy stosunkowo małych grubo ciach zabezpiecze (np. 10 i 30 mm). W znacznym stopniu ogranicza to pó niejszy zakres stosowania wyników nie mo na ekstrapolowa grubo ci zabezpiecze. Wyniki z tych bada pozwalaj zabezpiecza elementy elbetowe w klasach od R 30 do nawet R 360, jednak nie dostarczaj informacji, jak zachowa si system zabezpieczenia ogniochronnego, kiedy b dzie zastosowana znacznie grubsza izolacja, w układzie wielu warstw. Procedura badawcza PB LP-054/1/ [6], opracowana w Instytucie Techniki Budowlanej, pozwala rozszerzy zakres stosowania systemów ogniochronnych. Proces ten podzielono na 3 etapy: 1) analiza danych otrzymanych z bada przeprowadzonych wg PN-ENV [5], w celu wyznaczenia technicznych wła ciwo ci termicznych materiału: przewodno ci cieplnej, ciepła wła ciwego oraz g sto ci materiału ogniochronnego w funkcji temperatury (nie s to fizyczne wła ciwo ci materiałowe), 2) bazuj c na wynikach etapu pierwszego, przeprowadzana si prób ogniow na specjalnym elemencie próbnym, składaj cym si z mniejszych elementów cz ciowych płytowych oraz belkowych, których zbrojenie doklejane zostało zabezpieczone na 30, 60, 120 i 240 minut oddziaływania po aru wg krzywej standardowej temperatura-czas, na podstawie oblicze numerycznych 3) analiza wyników otrzymanych bezpo rednio z badania oraz kalibracja wła ciwo ci materiałowych przyj tych na podstawie etapu pierwszego oraz dalsza analiza numeryczna zgodnie z Procedur oceny do PB LP-054/1/ [7].

5 Konstrukcje Betonowe Projektowanie zabezpieczeń ogniochronnych Element próbny do dodatkowego badania składa si z małych płytowych elementów cz ciowych oraz krótkich belkowych elementów cz ciowych. Zabezpieczenie ogniochronne nakłada si w ró nych grubo ciach (nawet 200 mm) i ró nych szeroko ciach zakładu bocznego. Płytowe elementy cz ciowe nie s w pełni osłoni te, w celu umo liwienia obserwacji dwukierunkowego przepływu ciepła w betonie. Wszystkie elementy cz ciowe s od siebie odizolowane wełn skaln o wysokiej g sto ci, tak by nie wpływały na siebie. Rozmiar i kształt elementów cz ciowych oraz izolacji mi dzy nimi został sprawdzony numerycznie, by z jednej strony zmaksymalizowa liczb elementów cz ciowych, a z drugiej zachowa takie ich parametry, które zapewni wysok u yteczno wyników z nich otrzymanych. Uwzgl dniaj c fakt, i temperatura w elementach elbetowych wzrasta znacznie szybciej na ich powierzchni ni w zbrojeniu, a zakres temperatur szklenia kleju jest stosunkowo niski (< 200 C), zrezygnowano z przykładania obci enia, jako e nie wpłyn łoby ono na zachowanie si systemu zabezpieczenia ogniochronnego w po arze. Wizualizacj elementu próbnego przedstawiono na Rysunku 4. system zabezpieczenia ogniochronnego izolacja mi dzy elementami cz ciowymi rama pieca zbrojenie doklejane mały płytowy element cz ciowy krótki belkowy element cz ciowy Rys. 4. Wizualizacja elementu próbnego z płytowym system zabezpieczenia ogniochronnego 4. Analiza termiczna i procedura oceny Na podstawie wyników bada wykonanych zgodnie z PN-ENV [5] oraz Procedury badawczej PB LP-054/1/ [6] ustala si techniczne wła ciwo ci termiczne materiału zabezpieczenia ogniochronnego. Pierwsza iteracja kształtu wykresu ustalana jest na podstawie składu chemicznego materiału, jego wła ciwo ci w temperaturze normalnej oraz na podstawie przebiegu temperatury w materiale podczas badania ogniowego. Szczególnie wszystkie półki i wypłaszczenia wykresu mog wskazywa na poziomy temperatur, w których nast puje przemiana fazowa, a co za tym idzie mo na spodziewa si wzrostu warto ci na wykresie ciepła wła ciwego. W kolejnych iteracjach modyfikuje si warto ci techniczne wła ciwo ci termicznych materiału, a do osi gni cia zało onego poziomu zgodno ci z wynikami bada. Ze wzgl du na nieliniowo zjawiska, zmiennych warunków nagrzewania pomi dzy poszczególnymi badaniami, ró ne wła ciwo ci samego materiału mi dzy partiami produkcyjnymi oraz mo liwe bł dy w wykonaniu zabezpieczenia ogniochronnego, ustala si kilka zestawów wła ciwo ci materiałowych dla mniejszych zakresów grubo ci i w zale no ci od liczby nakładanych warstw (w przypadku płytowych systemów zabezpiecze ). Procedura oceny [7], przewiduje dwie metody ustalania skuteczno ci zabezpieczenia ogniochronnego elementów elbetowych wzmocnionych zewn trznym zbrojeniem doklejanym: graficzn oraz numeryczn. W metodzie graficznej, bazuj c na bezpo rednich

6 184 Piotr Turkowski wynikach z badania, na wykresie temperatura-czas nanosi si wyniki ka dego z przebadanych wariantów zabezpieczenia ogniochronnego, a nast pnie umieszcza si granice w postaci temperatur krytycznych temperatur szklenia kleju (np. 62 C, 80 C, 100 C). Wyniki dla grubo ci po rednich mo na interpolowa. Wyniki uzyskane w metodzie graficznej mog zosta stabelaryzowane. Przykładowe dane podano w Tablicy 1 i 2, a oznaczenia wyja niono na Rysunku 5. Nale y pami ta, i dane uzyskane bezpo rednio z badania dotycz tylko płaskich płyt elbetowych, pozbawionych przebi czy nieregularno ci w okolicy zbrojenia doklejanego. Tabela 1. Przykładowe dane tabelaryczne dla płyty g / b Temperatura [ C] po czasie nagrzewania wg krzywej standardowej [mm / mm] 30 min 60 min 120 min 240 min 25 / / / / / / / / / / Tabela 2. Przykładowe dane tabelaryczne dla belek g = b Temperatura [ C] po czasie nagrzewania wg krzywej standardowej [mm] 30 min 60 min 120 min 240 min g grubo systemu zabezpieczenia ogniochronnego b szeroko zakładu bocznego Rys.5. Przekrój przez płyt elbetow wzmocnion ta mami z włókien w glowych Metoda numeryczna skupia si na wykorzystaniu ustalonych parametrów materiałowych, pozwalaj c na analiz bardziej zło onych sytuacji projektowych, takich jak nieregularna geometria elementów, obecno przebi i otworów, zło one systemy zabezpiecze (maty). Przykładowe wyniki analizy termicznej dla systemu zabezpieczenia ogniochronnego, w zakresie grubo ci mm, przedstawiono na Rysunku 6 i 7.

7 Konstrukcje Betonowe Projektowanie zabezpieczeń ogniochronnych ] 0,40 K0,35 /m [W 0,30 a ln 0,25 p 0,20 c ie o 0,15 n o d0,10 0,05 r z e w P0,00? Temperatura [ C] 90 ] g K J /k [k 60 e c iw ła w30 o p ie C 0 Cv Temperatura [ C] Rys. 6. Przykładowe wyniki analizy termicznej dla system zabezpieczenia ogniochronnego Test-10 mm Num - 10 mm Test - 30 mm Num - 30 mm 600 ] 500 [ C 400 r a tu 300 e r a p200 e m T Czas[min] Rys. 7. Porównanie wyników badania ogniowego z symulacj numeryczn 5. Wnioski Projektowanie z uwagi na warunki po arowe konstrukcji elbetowych wzmocnionych zewn trznym zbrojeniem doklejanym polega przede wszystkim na sprawdzeniu no no ci elementów przy wyj tkowej kombinacji oddziaływa, po zadanym czasie oddziaływania po aru. Zalecanymi metodami oceny s metoda izotermy 500 C i metoda strefowa. Wyró ni mo na trzy przypadki projektowe: 1. konstrukcja elbetowa (bez zewn trznego zbrojenia doklejanego) jest w stanie przenie siły wynikaj ce z wyj tkowej kombinacji oddziaływa przez czas wymagany dla zadanej klasy odporno ci ogniowej elementu; 2. ta sama konstrukcja jest w stanie przenie te same siły, lecz przez czas krótszy ni wymagany dla zadanej klasy odporno ci ogniowej; 3. konstrukcja elbetowa nie jest w stanie przenie sił od wyj tkowej kombinacji oddziaływa, nawet bez oddziaływania po aru. W pierwszym przypadku zabezpieczenie zbrojenia doklejanego nie b dzie wymagane; w drugim element konstrukcyjny nale y zabezpiecza z uwagi na temperatur krytyczn zbrojenia; w trzecim zabezpiecza nale y równie zbrojenie FRP, przyjmuj c za temperatur krytyczn temperatur szklenia kleju zbrojenia FRP.

8 186 Piotr Turkowski Literatura 1 PN-EN :2006. Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje Cz 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach po aru. 2 PN-EN A1:2010. Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków Cz 2: Klasyfikacja na podstawie wyników bada odporno ci ogniowej, z wył czeniem instalacji wentylacyjnej. 3 PN-EN :2008. Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu Cz 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki po arowe. 4 PN-EN 1990:2004. Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji. 5 PN-ENV :2004. Metody badawcze ustalania wpływu zabezpiecze na odporno ogniow elementów konstrukcyjnych Cz 3: Zabezpieczenia elementów betonowych 6 Procedura badawcza PB LP-054/1/ Badania skuteczno ci ogniochronnej zabezpiecze ta m stanowi cych zewn trzne doklejane zbrojenie elementów z betonu. 7 Procedura oceny do PB LP-054/1/ Procedura oceny skuteczno ci ogniochronnej zabezpiecze ta m stanowi cych zewn trzne doklejane zbrojenie elementów z betonu. The structural fire design of concrete structures with externally bonded reinforcement and fire protection system Piotr Turkowski 1 1 Fire Research Department, Building Research Institute, e mail: p.turkowski@itb.pl Abstract: This work describes the structural fire design process of RC structures with externally bonded reinforcement. First part is based on the calculation method given in EN and addresses the question whether the fire protection of externally bonded reinforcement is necessary in every situation? The second part shows what such fire protection should look like and how it should be designed. Moreover, a test procedure for determining the effectiveness of applied fire protection systems to concrete structural members reinforced with FRP, used in Fire Testing Laboratory of Building Research Institute (ITB) is presented. Keywords: concrete structures, FRP, structural fire design, fire protection systems.