Nośność konstrukcji sprężonych a bezpieczeństwo pożarowe

B E Z P I E C Z E Ń S T W O P O Ż A R O W E Nośność konstrukcji sprężonych a bezpieczeństwo pożarowe Dr inż. Jarosław Michałek, mgr inż. Jakub Wysocki, Zakład Konstrukcji Betonowych, Instytut Budownictwa, Politechnika Wrocławska 42 1. Zjawisko pożaru Pożar jest zjawiskiem o trudno przewidywalnym czasie trwania i zasięgu. Powstaje w wyniku spalania materiałów palnych w atmosferze. Największym zagrożeniem w czasie pożaru jest wysoka temperatura osiągana przez spalanie materiałów palnych. Skutkiem działania ognia jest zniszczenie konstrukcji w krótkim czasie, co prowadzi do ogromnych strat materialnych. Straty te mogą być spotęgowane - zmianą schematu statycznego układu naruszonego w warunkach działania podwyższonej temperatury bądź niewłaściwą akcją ratowniczą. Pożar pomieszczenia podzielić można na trzy fazy [5]: faza I okres powstania i rozwoju pożaru, faza II okres w pełni rozwiniętego pożaru i intensywnego spalania, C] o [ Temperatura T 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 T = 345 log(8t + 1) + 20 T = 154 t 0,25 + 20 dla 0<t<21 faza III okres gaśnięcia pożaru (stygnięcia), gdzie jest obserwowany spadek temperatury w czasie. Pożar jako zjawisko naturalne trudno jest opisać za pomocą wzorów matematycznych. W ujęciu teoretycznym dokładne ustalenie rzeczywistej temperatury pożaru jest niemożliwe. Opis matematyczny fazy I pożaru jest trudny, gdyż według [5] warunki inicjacji i powstania pożaru są bardzo różne, różne bywają też temperatury, a samo zjawisko powstawania pożaru każdorazowo inaczej rozwija się w czasie. Faza II najczęściej opisywana jest normową krzywą temperatura/czas (1 rys.1). Przyjęta funkcja nie jest modelem matematycznym dokładnie tej fazy pożaru, ale określa normowy przyrost temperatury w czasie podczas badań elementów w piecu badawczym komory ogniowej [5]. Dlatego też przyjęto T = 1080 (1-0,325 e -0,167ṯ 0,675 e -2,5t ) + 20 T = 660 (1-0,687 e -0,32t - 0,313 e -3,8t ) + 2 T = 345 log[8 (t - 20) + 1] + 20 dla t>21 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Czas t [min] Rys. 1. Przykłady krzywych temperatura/czas opisujące model pożaru umownego ją stosować do oceny właściwości użytkowych wyrobów budowlanych eksponowanych na działanie rozwiniętego pożaru [2]. Intensywność oddziaływania termicznego w warunkach pożaru rzeczywistego może być mniejsza lub większa od określonej krzywą normową. W przypadku bardziej intensywnego oddziaływania (zwłaszcza przy szybszym wzroście temperatury) do opisu pożaru stosuje się zharmonizowaną krzywą węglowodorową (2 rys.1). Przy powolnym rozwoju pożaru, lub gdy stosuje się powłoki ognioochronne na elemencie konstrukcji do opisu pożaru wykorzystuje się tzw. krzywe tlącego się ognia (3 i 4 rys.1). Jeszcze inną krzywą (5 rys.1) stosuje się w przypadku, gdy temperatura oddziaływująca na ściany zewnętrzne jest wywołana przez ogień wydobywający się przez okno. Dla ekstremalnych scenariuszy pożaru (np. w tunelach drogowych, elektrowniach atomowych) mogą być wymagane bardziej niekorzystne krzywe umowne [2]. Krzywa normowa temperatura /czas, mimo że nie odpowiada dokładnie rzeczywistym przebiegom temperatury w pożarach, jest dobrą podstawą odniesienia i porównywania wyników badań elementów w komorach ogniowych. Ponadto względnie łatwo można zrealizować i faktycznie uzyskać założony przebieg wzrostu temperatury w piecu badawczym. Funkcja ta jest powszechnie przyjęta w badaniach odporności

BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE ogniowej konstrukcji i występuje praktycznie w przepisach większości państw. 2. Klasy odporności ogniowej elementów budynków W Dyrektywie 89/106/EEC Rady Wspólnot Europejskich w sprawie zbliżenia ustaw i aktów wykonawczych Państw Członkowskich dotyczących wyrobów budowlanych [1] z 21 grudnia 1988 r. stwierdza się, że wyroby budowlane, przeznaczone do stosowania w obiektach mogą być wprowadzone na rynek tylko wówczas, gdy obiekty, w których mają być one wbudowane, wmontowane, stosowane lub instalowane spełniać będą wymagania podstawowe. Wśród wymagań podstawowych wymienia się: 0. Nośność i stateczność 1. Bezpieczeństwo pożarowe 2. Higiena, zdrowie i środowisko 3. Bezpieczeństwo użytkowania 4. Ochrona przed hałasem 5. Oszczędność energii i izolacyjność termiczna. W artykule autorzy zajęli się analizą dwóch pierwszych wymagań podstawowych. Z wymagania pierwszego wynika między innymi, że obiekty budowlane muszą być zaprojektowane i wykonane tak, aby wszelkie obciążenia oraz odkształcenia pojawiające się podczas wznoszenia i użytkowania nie powodowały całkowitych lub częściowych zniszczeń obiektu, jego części czy wyposażenia. Wymaganie drugie informuje [2], że obiekty budowlane muszą być zaprojektowane i wykonane, aby podczas pożaru: nośność konstrukcji była zapewniona przez określony, niezbędny czas, powstawanie i rozprzestrzenianie się ognia i dymu było ograniczone (w tym również na sąsiednie obiekty), mieszkańcy mogli być ewakuowani, uwzględnione było bezpieczeństwo ekip ratowniczych. Wymaganie bezpieczeństwa pożarowego zapewnia się określając odporność ogniową elementów budynku. Według [3], przez odporność ogniową rozumie się zdolność elementu budynku do spełniania określonych wymagań w znormalizowanych warunkach fizycznych, odwzorowujących porównawczy przebieg pożaru. Miarą odporności ogniowej jest wyrażony w minutach czas od początku badania do chwili osiągnięcia przez element jednego z trzech stanów granicznych: nośności ogniowej oznaczonej symbolem R (Resistance), w którym element przestaje spełniać swoją funkcję nośną, izolacyjności ogniowej oznaczonej symbolem E (Etacheite), w którym element przestaje spełniać funkcje oddzielające na skutek przekroczenia granicznej wartości temperatury powierzchni nie nagrzewanej, szczelności ogniowej oznaczonej symbolem I (Isolation), w którym element przestaje spełniać funkcje oddzielające na skutek pojawienia się na powierzchni nie nagrzewanej płomieni lub wystąpienia w elemencie próbnym szczelin o rozwartości i długości przekraczającej wielkości graniczne. Dokument interpretacyjny do Dyrektywy 89/106/EEC [2] pozwala wprowadzać klasy dla wymagań podstawowych i związanych z nimi właściwości użytkowych wyrobów budowlanych. Klasy dla elementów nośnych według [2] określa się w następujący sposób: REI czas, oznacza minimalny czas, w jakim dotrzymywane są wszystkie kryteria (nośność, szczelność, izolacyjność), RE czas, oznacza minimalny czas, w jakim dotrzymywane są dwa kryteria (nośność, szczelność), R czas, oznacza minimalny czas, w jakim dotrzymywane jest kryterium nośności. W Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], ustanowiono pięć klas odporności pożarowej Tabela 1. Klasy odporności ogniowej elementów budynków według [4] Klasa odporności pożarowej budynku główna konstrukcja nośna konstrukcja dachu Klasa odporności ogniowej elementów budynku strop 1) ściana zewnętrzna 1),2) ściana wewnętrzna 1) przekrycie dachu 3) A R 240 R 30 REI 120 EI 120 EI 60 E 30 B R 120 R 30 REI 60 EI 60 EI 30 4) E 30 C R 60 R 15 REI 60 EI 30 EI 15 4) E 15 D R 30 REI 30 EI 30 E 1) jeżeli przegroda jest częścią głównej konstrukcji nośnej, powinna spełniać także kryteria nośności ogniowej (R) odpowiednio zawartych w kol. 2 i 3 dla danej klasy odporności pożarowej budynku, 2) klasa odporności ogniowej dotyczy pasa międzykondygnacyjnego wraz z połączeniem ze stropem, 3) wymagania nie dotyczą naświetli dachowych, świetlików, lukarn i okien połaciowych, jeśli otwory w połaci dachowej nie zajmują więcej niż 20% jej powierzchni, 4) dla ścian komór zsypu wymaga się EI 60, a dla drzwi komór zsypu EI 30. 43

B E Z P I E C Z E Ń S T W O P O Ż A R O W E Tabela 2. Tabelaryczne zestawienie alternatywnych metod weryfikacji dla ognioodporności [8] Typ analizy Dane tabelaryczne Uproszczone modele obliczeniowe Ogólne modele obliczeniowe Analiza elementów konstrukcji. Analiza części konstrukcji. Zamieszczono dane w Eurokodzie 2 tylko dla standardowego pożaru dla klas ognioodporności nie przekraczających 240 minut. W zasadzie, dane mogłyby być rozwinięte dla innych krzywych pożarowych. Informacyjny aneks B Eurokodu 2 dostarcza dwie alternatywne metody: metoda izotermy 500 C i metoda stref obliczania nośności na zginanie i ściskanie dla krzywej standardowej ognia. Zamieszczono profile temperatury w przekroju tylko dla standardowego pożaru. Metoda jest odpowiednia dla elementów, na które działa pożar o standardowym przebiegu. Dopuszcza się inne modele pożarowe o podobnym rozkładzie temperatury jak przy pożarze standardowym. Według zasad ogólnych zawartych w Eurokodzie. Analiza całej konstrukcji. Tabela 3. Minimalne wymiary i odległość środka ciężkości rzędu zbrojenia położonego najbliżej krawędzi przekroju dla żelbetowych i sprężonych płyt TT swobodnie podpartych [8] Klasa odporności ogniowej Minimalne wymiary Możliwe kombinacje szerokości żeber b min i osiowej odległości a 1 Grubość płyty h s i osiowa odległość a 2 b min a 1 b min a 1 b min a 1 b min a 1 h s a 2 1 2 3 4 5 REI 30 80 25 120 20 160 15 200 15 60 10 REI 60 120 40 160 35 200 30 300 25 80 15 REI 90 150 55 200 45 300 40 400 35 100 20 REI 120 200 65 240 60 300 55 500 50 120 25 REI 180 240 80 300 70 400 65 600 60 150 40 REI 240 280 90 350 80 500 75 700 70 175 50 a sd = a 1 +10 mm b mi h s wysokość półki górnej wraz z podłogą i ewentualną warstwą izolacji (rys. 2), a 1 odległość środka ciężkości rzędu zbrojenia położonego najbliżej krawędzi dolnej przekroju żebra podłużnego, a 2 odległość środka ciężkości rzędu zbrojenia od krawędzi dolnej przekroju półki górnej, a sd odległość osiowa prętów narożnych od krawędzi bocznej przekroju żebra podłużnego. 44 budynków lub ich części, oznaczonych literami: A, B, C, D i E. Elementy budynku, odpowiednio do jego klasy odporności pożarowej, powinny w zakresie klasy odporności ogniowej spełniać co najmniej wymagania określone w tabeli 1. 3. Nośność elementów z uwzględnieniem odporności ogniowej konstrukcji W literaturze polskiej niewiele miejsca poświęcano do tej pory problematyce odporności ogniowej konstrukcji, a w szczególności konstrukcji sprężonych. Jedną z bardziej popularnych pozycji literaturowych wydaje się być instrukcja Instytutu Techniki Budowlanej [11] ustanowiona w 1979 r. dla elementów konstrukcji budowlanych (głównie elementów żelbetowych). W instrukcji dla danego typu elementu w zależności od jego klasy odporności ogniowej odczytuje się z tabeli minimalne wymiary przekroju i minimalną odległość środka ciężkości rzędu zbrojenia położonego najbliżej krawędzi przekroju. Metoda taka jest bardzo uproszczona, ale wygodna dla projektanta. Obecnie problem wymiarowania konstrukcji z betonu w warunkach pożarowych jest przedmiotem projektu odrębnej części Eurokodu 1 i 2 [7, 8]. Eurokod 2 [8] zaleca cztery metody określania odporności ogniowej konstrukcji z betonu (tab. 2). Czwarta metoda (nie ujęta w tabeli 2) obejmuje analizę opartą na wynikach badań. Dla analizy części lub całej konstrukcji Eurokod 2 [8] podaje również ogólne zasady postępowania. Przedstawione w nim dane tabelaryczne służą do określenia parametrów geometrycznych betonu i stali w przekroju poprzecznym elementów. Tok postępowania jest analogiczny jak w [11] i został opisany w języku polskim w instrukcji ITB [12]. Powyżej (tab. 3) dla przykładu przedstawiono

BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE Rys. 2. Określenie wysokości półki górnej h s w płycie TT (1 warstwa betonu, 2 podłoga niepalna, 3 materiał izolacyjny, h s = h 1 + h 2 ) [8] 500 C bt b d =d T Rys. 3. Określenie zredukowanych wymiarów przekroju przykładowy przekrój elementu ogrzewanego z trzech stron [8] zestawienie tabelaryczne dla płyt TT swobodnie podpartych. Bardziej szczegółową analizę elementów konstrukcji stanowią modele obliczeniowe. Wyróżnia się tu [8] metodę stref polegającą na podziale przekroju, na co najmniej 3 części i przyjmowaniu temperatury w środku każdej z nich. Pozwala to określić odporność ogniową elementu w zależności od temperatury i wymiarów w każdej strefie. Metoda izotermy 500 C polega na określeniu izoterm w przekroju, a następnie redukcji jego powierzchni przy uwzględnieniu degradacji parametrów wytrzymałościowych betonu i stali. Metodę izotermy 500 C stosuje się przy założeniu standardowego przebiegu pożaru. Dopuszcza się inne modele pożarowe o podobnym rozkładzie temperatury jak przy pożarze standardowym. ht h Do obliczeń przyjmuje się tylko strefę przekroju betonowego, w której temperatura nie przekracza 500 C dla odpowiedniej klasy odporności ogniowej elementu (rys. 3) [13]. Dla zredukowanego przekroju parametry wytrzymałościowe betonu pozostają bez zmian lub określa a) b) k T [- ] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 k T [- ] się ich obniżoną wytrzymałość dla najniższej temperatury wewnątrz strefy. Przekrój należy aproksymować do kształtu prostokątnego o wymiarach b T i h T według rysunku 3 lub trapezowego w przypadku żeber płyt TT, w celu uproszczenia obliczeń nośności. Zbrojenie jest w całości uwzględniane niezależne od tego czy znajduje się na zewnątrz, czy wewnątrz strefy o temperaturze 500 C, przy czym przyjmuje się obniżone parametry wytrzymałościowe stali w zależności od temperatury panującej w każdym pręcie. Temperatura prętów zbrojeniowych jest wyższa niż betonu w tej samej odległości od krawędzi przekroju. Przyczyną jest większa prędkość przepływu ciepła wzdłuż prętów 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 temperatura T [ o C] rozcią ganie betonu zwykłego ściskanie betonu zwykłego z kruszywem krzemianowym ściskanie betonu zwykłego z kruszywem wapiennym ściskanie betonów B67, B75, B85, B95 ściskanie betonu B105 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 temperatura T [ o C] stal zwykła walcowana na gorąco stal zwykła ciągniona na zimno druty i sploty sprężające pręty sprężające Rys. 4. Wykres redukcji wytrzymałości w zależności od temperatury według [8] dla: a) betonu, b) stali zbrojeniowej 45

B E Z P I E C Z E Ń S T W O P O Ż A R O W E 46 zbrojenia w stosunku do betonu w rozpatrywanym przekroju elementu. Dla uproszczenia obliczeń pomija się to zjawisko, traktując przekrój jako jednorodny, którego temperatura w każdym punkcie zależy od odległości względem krawędzi elementu. Wraz z rosnącą średnicą i malejącą odległością między prętami zbrojeniowymi różnica temperatur między stalą i betonem zwiększa się, co działa na niekorzyść bezpieczeństwa przy posługiwaniu się metodami normowymi wyznaczania nośności elementów w warunkach pożaru. W Eurokodzie 2 [8] nie podano wytycznych określających dopuszczalne średnice i odległości między prętami zbrojeniowymi. W celu określenia rozkładu temperatury w przekroju należy posługiwać się wykresami zamieszczonymi w normach [8, 9] dla różnych kształtów przekroju, sposobów oparcia i klas odporności ogniowej elementów. Znając rozkład temperatury wyznacza się obniżone parametry wytrzymałościowe stali i betonu. Na rysunku 4 przedstawiono redukcję parametrów wytrzymałościowych dla betonu i stali. Wykresy obrazujące wytrzymałość betonu na ściskanie wskazują na zdolność betonu do przenoszenia obciążeń dla temperatury powyżej 500 C. Pomimo to przyjęcie strefy zredukowanej przekroju jest oczywiste, gdyż wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze 600 C jest zerowa (rys. 4b), co związane jest z zarysowaniem i pękaniem betonu, a temperatura graniczna strefy, tj. 500 C stanowi wartość obliczeniową (na rys. 4 przedstawiono wartości charakterystyczne ze względu na losowy charakter pożaru). Kolejnym krokiem jest określenie nośności elementu konstrukcji dla zmniejszonych wymiarów i parametrów wytrzymałościowych w warunkach ogniowych. Według normy PN-B-03264:2002 [10] dla wyjątkowej sytuacji obliczeniowej jaką jest pożar przyjmuje się w metodzie izotermy 500 C : wytrzymałość na ściskanie betonu przy założeniu jego niezmiennych parametrów wytrzymałościowych: f cd = f ck /γ s, gdzie częściowy współczynnik bezpieczeństwa γ s = 1,3 granicę plastyczności stali zbrojeniowej: f yd,t = k yk,t f yk /γ s, gdzie częściowy współczynnik bezpieczeństwa γ s = 1,0; zaś k yk,t = f sy,t /f yk granicę plastyczności stali sprężającej: f pd,t = k pk,t (0,9 f pk )/γ s, gdzie częściowy współczynnik bezpieczeństwa γ s = 1,0; zaś k pk,t = f py,t /(0,9f pk ). W płycie TT średnią temperaturę T dla wszystkich prętów zbrojenia zwykłego w strefie rozciąganej wyznacza się w sposób następujący: T = (ΣT sn A sn ) / ΣA sn (1) gdzie: T sn temperatura w pręcie n ze stali zbrojeniowej, w C, A sn pole przekroju pręta n ze stali zbrojeniowej. Identycznie postępuje w elemencie sprężonym, zastępując wielkości T sn i A sn we wzorze (1) odpowiednikami T pn i A pn odnoszącymi się do stali sprężającej. Mając wartość T odczytujemy z wykresów zamieszczonych na rysunku 4b w zależności od rodzaju stali, jej zdegradowane parametry wytrzymałościowe. Analogicznie według wzoru (1) postępuje się dla ewentualnego zbrojenia w strefie ściskanej. Nośność takiego elementu zginanego można sprawdzać ze względu na warunki pożarowe metodą uproszczoną z warunku: M Sd,T M Rd,T = f cd S cc,eff,t + σ p2,t A p2 (d - a p2,t ) + f yd,t A s2 (d - a s2,t ) (2) gdzie: M Sd,T moment obliczeniowy wywołany obciążeniem obliczeniowym w warunkach pożaru, M Rd,T nośność obliczeniowa przekroju na zginanie w warunkach pożaru, S cc,eff,t moment statyczny efektywnego pola ściskanej strefy przekroju betonu o wysokości x eff obliczony względem środka ciężkości zbrojenia rozciąganego w warunkach pożaru, a s2,t odległość środka ciężkości zbrojenia A s2 od krawędzi ściskanej dla zredukowanych wymiarów elementu, a p2,t odległość środka ciężkości zbrojenia A p - nej dla zredukowanych wymiarów elementu, A p2 pole przekroju zbrojenia sprężającego w strefie ściskanej, A s2 pole przekroju zbrojenia zwykłego w strefie ściskanej, σ p2, - cej w strefie ściskanej w warunkach pożaru. Wielkość σ p2, pomniejszając naprężenia w stali sprężającej σ p2 za pomocą odpowiedniego współczynnika redukcyjnego przyjmowanym z rysunku 4b z uwzględnieniem częściowego współczynnika bezpieczeństwa γ s = 1,0 w sytuacji wyjątkowej. Efektywną wysokość bryły naprężeń ściskających x eff,t ze względu na warunki pożarowe określa się z równania: f pd,t A p1 + f yd,t A s1 = f cd A cc,eff,t + σ p2,t A p2 + f yd,t A s2 (3) gdzie: A cc,eff,t efektywne pole ściskanej strefy przekroju betonu o wysokości x eff w warunkach pożaru, A p1 pole przekroju zbrojenia sprężającego w strefie rozciąganej, A s1 pole przekroju zbrojenia zwykłego w strefie rozciąganej. Istotnym problemem jest określenie oddziaływań w czasie pożaru. Można zastanawiać się nad redukcją obciążeń spowodowanych spaleniem materiałów izolacyjnych, stopnieniem śniegu, zmniejszeniem ciężaru elementu w skutek odpryskiwania betonu itp. Zdaniem autorów artykułu, najbezpieczniejszym rozwiązaniem wydaje się przyjęcie obciążeń jak w trwałej sytuacji obli-

BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE czeniowej, ze względu na trudność oceny przebiegu pożaru i skutków z tym związanych, które mają charakter losowy. Zgodnie z normą [8] płyty strunobetonowe nie są narażone na ścinanie ani awarię zakotwienia w warunkach pożaru i nie wymagają dodatkowych obliczeń w tym zakresie. Mimo to można pokusić się o sprawdzenie nośności na ścinanie i inne stany graniczne według wzorów zawartych w [10], przyjmując dla wytrzymałości stali i betonu odpowiednie współczynniki redukcyjne z rysunku 4 z uwzględnieniem częściowego współczynnika bezpieczeństwa w sytuacji wyjątkowej. Należy podkreślić przybliżony charakter obliczeń dla wyżej przedstawionego algorytmu, nie oddający w pełni rzeczywistego zachowania się konstrukcji w razie pożaru. 4. Analiza nośności strunobetonowych płyt TT z uwzględnieniem pożaru Autorzy artykułu przeanalizowali strunobetonowe płyty TT pod kątem rozmieszczenia cięgien w przekroju i nośności elementu w pięciu wariantach różniących się klasą odporności ogniowej. Obliczenia przeprowadzono autorskim programem Płyta TT [14] metodą izotermy 500 C dla elementu o wymiarach przekroju poprzecznego jak na rysunku 5. Obliczenia statyczno- -wytrzymałościowe płyt TT wykonano zgodnie z normą [10] przy założeniu swobodnego ich oparcia. Wartości obciążenia użytkowego q k [kn/m 2 ] dla poszczególnych płyt TT określono z warunków spełnienia stanów granicznych nośności na zginanie w przęśle oraz podstawowych wymagań użytkowych dotyczących ugięć i zarysowania prostopadłego do osi elementu w przęśle i ukośnego przy podporach. W obliczeniach założono, że płyty TT obciążone są ciężarem własnym g k, dodatkowym obciążeniem stałym gk = 2,0 kn/m 2 (ciężar warstw wyrównawczych, izolacji i ewentualnie instalacji technologicznych) i wspomnianym wyżej obciążeniem użytkowym q k. Przyjęto podparcie płyty na pełną wysokość konstrukcyjną, gdyż nawet w przypadku częściowego podcięcia żeber byłoby bardzo trudno zapewnić wymaganą otulinę dla zbrojenia w części podporowej dla temperatury krytycznej stali 500 C. Niemożliwe jest również całkowite zniwelowanie wysokości oparcia za pośrednictwem odpowiedniego profilu stalowego typu Pfeifer [15], gdyż jego klasa odporności ogniowej ograniczona jest do 120 min. Stosując otwory i wycięcia należy także zachować daleko idącą ostrożność. Płyty zbrojono podłużnie cięgnami sprężającymi w postaci siedmiodrutowych splotów Y 1860 S7 o średnicy 12,5 mm [10] umieszczonymi w dolnej strefie żeber. W projektowanych płytach TT przyjęto beton klasy B50 o cechach wytrzymałościowych i odkształcalnościowych podanych w normie [10]. W odróżnieniu od Eurokodu 2 [8] uwzględniono wpływ oddziaływania podwyższonej temperatury we wszystkich stanach granicznych, przy obliczaniu których przyjęto zredukowane parametry wytrzymałościowe cięgien sprężających. W celu ustalenia przebiegu izoterm w przekroju poprzecznym posłużono się wytycznymi normy [9], w której zawarto m.in. izotermy dla żeber płyt TT o szerokości 80, 120, 160, 200 i 240 mm przy podstawie i klas odporności ogniowej: 30, 60, 90, 120, 180 i 240 minut. W artykule rozpatrzono elementy TT o klasie odporności ogniowej 30, 60, 90, 120, 180 minut. Nie podjęto się obliczeń dla 240 minutowej klasy odporności ogniowej ze względu niemożność Rys. 5. Przekrój poprzeczny płyty TT analizowanej w programie Płyta TT usytuowania zbrojenia w żebrze podyktowaną temperaturą w całym przekroju poprzecznym ponad 400 C. Norma [8] nie podaje rozkładu temperatur w płycie górnej. W tej sytuacji autorzy artykułu posłużyli się rozkładami izoterm w płytach według [6]. Wartość temperatury krytycznej jest różnie określana w literaturze, jednakże najczęściej jest to 500 C dla stali zwykłej i 350 C w odniesieniu do stali sprężającej. Przez wartość krytyczną rozumie się temperaturę, po przekroczeniu której następuje utrata przyczepności zbrojenia do betonu. Metoda izotermy 500 C nie uwzględnia temperatury krytycznej stali i w pracy elementu biorą udział wszystkie pręty i cięgna. Nasuwa się wniosek, iż należałoby określić jak w przypadku betonu, zasięg strefy ograniczonej ze względu na krytyczną temperaturę stali sprężającej (350 C) i zwykłej (500 C). Tak też postąpili autorzy artykułu przyjmując kryterium temperatury krytycznej przy rozmieszczeniu cięgien (rys. 6). Na rysunku 6 pokazano ułożenie cięgien i geo- 47

B E Z P I E C Z E Ń S T W O P O Ż A R O W E a) b) c) d) metrię zredukowanej strefy betonu dla wycinka płyty TT w zależności od klasy odporności ogniowej elementu oraz temperatury krytycznej 500 C i 350 C. Parametry materiałowe zmienne w zależności od klasy odporności ogniowej elementu zestawiono w tabeli 4. Redukcji wytrzymałości cięgien dokonano według zaleceń [8] (wykres dla splotów sprężających na rysunku 4b). Dla porównania ujęto w tabeli 4 właściwości materiałowe cięgien z pominięciem kryterium ognioodporności. Istotnym zabiegiem konstrukcyjnym poprawiającym wytrzymałość elementu w warunkach pożaru jest ułożenie prętów zbrojenia w kilku rzędach, równomiernie w całej strefie rozciąganej. Powoduje to zminimalizowanie strat wytrzymałościowych prętów zbrojenia ze względu na ich położenie w strefie niewielkiego oddziaływania temperatury pożaru. Ponadto nie następuje nagłe zniszczenie elementu, ponieważ poszczególne pręty tracą swoją nośność w pewnych odstępach czasowych. Na rysunku 7 przedstawiono wykresy maksymalnych, dopuszczalnych obciążeń charakterystycznych q k [kn/m 2 ] w zależności od rozpiętości i klasy odporności ogniowej płyty TT. Dla płyt TT o klasie REI 30 i REI 60 (rys. 6a, b) przyjęto odpowiednią otulinę cięgien sprężających ze względu na ochronę przeciwkorozyjną, zaś dla klas REI 90, REI 120, REI 180 (rys. 6c, d, e) o grubości otuliny zadecydował aspekt ognioodporności. Jak widać (rys. 6, 7) klasa odporności ogniowej ma znaczący wpływ na grubości stosowanych otulin zbrojenia, układ zbrojenia w przekroju, a tym samym na nośność elementów. Jest to szczególnie istotne dla elementów o niewielkiej i średniej rozpiętości. Dla elementów dłuższych do głosu dochodzą inne aspekty związane głównie ze sferą użytkowalności elementu. 5. Podsumowanie 48 e) Rys. 6. Rozwiązania przyjęte do analizy nośności elementów TT w programie płyta TT : a) REI 30, b) REI 60, c) REI 90, d) REI 120, e) REI 180 Przepisy polskie w chwili obecnej traktują marginalnie problem pożaru w elementach konstrukcji żelbetowych i sprężonych. Jedną z przyczyn jest znikoma liczba ośrodków badawczych i ograniczony zakres badań. Naprzeciw oczekiwaniom projektantów wychodzą europejskie przepisy normowe, ale tylko częściowo. Przedstawiony tok postępowania według procedur Eurokodu 2 [8] nie jest do końca spójny, gdyż nie uwzględniono wielu obszarów pozwalających w pełni korzystać ze wzorów uwzględniających stany graniczne elementów konstrukcji w warunkach pożaru. Metoda izotermy 500 C może stwarzać trudności przy projektowaniu. Redukcja przekroju betonu

BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE Tabela 4. Dane materiałowe cięgien przyjęte w programie [14] Odporność ogniowa Wytrzymałość charakterystyczna f pk [MPa] Wytrzymałość obliczeniowa f pd [MPa] Moduł sprężystości E p [MPa] 1860 1339 190000 REI 30 1830 1647 185915 REI 60 1409 1268 170525 REI 90 1315 1184 166535 REI 120 1315 1184 166535 REI 180 1122 1009 161215 2 ] q k [kn/ m 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 REI 30 REI 60 REI 90 REI 120 REI 180 6 8 10 12 14 16 18 20 22 l eff [m] Rys. 7. Maksymalne obciążenia charakterystyczne q k [kn/m 2 ] w zależności od rozpiętości i klasy odporności ogniowej płyty TT do temperatury 500 C nie stanowi problemu dla przekroju prostokątnego, ale w przypadku złożonych kształtów np. płyt TT takie postępowanie jest utrudnione. Problem stanowi także dokładne określenie temperatury cięgien sprężających izotermy w przekroju są określone najczęściej z dokładnością 100 C, rzadziej 50 C. Bardzo pracochłonne jest ustalenie przebiegu izoterm dla przekroju o wymiarach nieujętych, ale zbliżonych do podanych w normach [8, 9]. Ze względu na różnorodność kształtów elementów trudno stworzyć jednolite przepisy dla wszystkich typów konstrukcji. Wydaje się zatem słuszne, aby odporność ogniową elementów ustalać metodą tabelaryczną w zależności od wymiarów przekroju poprzecznego i położenia stali zbrojeniowej. Dane zawarte w tablicach [8, 12] zostały opracowane dla powszechnie stosowanych elementów konstrukcyjnych na podstawie założeń bezpiecznych, zawierających dodatkowe rezerwy, dla standardowej krzywej temperatura/czas. Autorzy postulują, aby podstawowe dane tabelaryczne zawarte w normie [8] zostały załączone wprost do normy projektowej [10]. Przyjęcie przez projektanta właściwej odporności ogniowej elementu determinuje, odpowiednie ukształtowanie przekroju poprzecznego, a także odpowiednie rozmieszczenie i ilość zbrojenia nośnego. Mimo trwających prac nad zagadnieniami projektowania konstrukcji w warunkach pożaru w dalszym ciągu brakuje w przepisach jednoznacznych informacji na temat kształtowania odporności ogniowej konstrukcji sprężonych. BIBLIOGRAFIA [1] Dyrektywa Rady Wspólnot Europejskich 89/106/EEC z dnia 21 grudnia 1988 r. w sprawie zbliżenia ustaw i aktów wykonawczych Państw Członkowskich dotyczących wyrobów budowlanych [2] Dokument interpretacyjny do Dyrektywy 89/106/EEC dotyczącej wyrobów budowlanych. Wymaganie podstawowe nr 2 Bezpieczeństwo pożarowe. Dokumenty Wspólnoty Europejskiej dotyczące budownictwa. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 1995 [3] PN-B-02851-1:1997. Ochrona przeciwpożarowa budynków. Badania odporności ogniowej elementów budynków. Wymagania ogólne i klasyfikacja [4] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dział VI Bezpieczeństwo pożarowe (Dz.U. nr 75, poz. 690) [5] Kosiorek M.: Kształtowanie konstrukcji żelbetowych i murowych z uwagi na bezpieczeństwo pożarowe. XVIII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Tom 2, Ustroń 2003, s. 1 56 [6] Kosiorek M., Pogorzelski J. A., Laskowska Z., Pilich K.: Odporność ogniowa konstrukcji budowlanych. Arkady, Warszawa 1988 [7] PN-EN 1991-1-2:2005 (U) Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1 2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru [8] PN-EN 1992-1-2:2005 (U) Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1 2: Reguły ogólne. Projektowanie na warunki pożarowe [9] PN-EN 13224:2005 (U) + AC1:2005 (U) Prefabrykaty betonowe. Płyty stropowe żebrowe [10] PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone Obliczenia statyczne i projektowanie [11] Wytyczne oceny odporności ogniowej elementów konstrukcji budowlanych. Instrukcja ITB 221, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 1979 [12] Projektowanie elementów żelbetowych i murowych z uwagi na odporność ogniową. Instrukcje, wytyczne, poradniki nr 409/2005, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2005 [13] Kowalski R.: Uproszczona analiza nośności przekrojów żelbetowych w warunkach pożaru wg pren1992-1-2. Inżynieria i Budownictwo, nr 10/2004 [14] Program komputerowy Płyta TT. Autorzy programu i właściciele: Janusz Kubiak, Aleksy Łodo, Jarosław Michałek [15] Katalog firmy Jordahl & Pfeifer Technika Budowlana Sp. z o.o. Podkład stalowy PFEIFER do płyt stropowych TT 49