Požární odolnost stavebních konstrukcí z oceli, litiny a hliníkových slitin

Plný rozvoj kovových konstrukcí nastal v 19. století, i když první konstrukce se objevily v Británii již koncem 18. století. První litinovou stavbou je zřejmě most přes řeku Severn v Anglii – Severn Iron Bridge o rozpětí 30,5 m, který byl postaven v roce 1778. V České republice jsou zachovány mnohé historicky cenné litinové sloupy s hlavicemi např. v dórském či korintském slohu.

Praxe ukázala, že litina pro svoji křehkost a schopnost odolávat pouze namáhání v tlaku není příliš vhodný materiál, a proto byla časem nahrazena svářkovým železem a později ocelí. Poněvadž jak litinové, tak ocelové konstrukce mají nízkou požární odolnost, byly vyvinuty požárně odolné oceli, které jsou využívány po roce 1980 zejména v Japonsku, kde bývají požáry častým následkem zemětřesení.

Konstrukce z hliníkových slitin (nosné či nenosné) patří do současnosti. Lze sledovat vývoj prosklených požárně odolných plošných svislých i vodorovných konstrukcí včetně zabudovaných požárních uzávěrů. Mezi výhody hliníkových konstrukcí patří lehkost, subtilnost a korozivzdornost.

 

Změny mechanických vlastností litiny za zvýšených teplot se velmi podobají změnám oceli. Průběh redukčních součinitelů meze pevnosti litiny v tlaku a účinné meze kluzu uhlíkové oceli jsou téměř shodné (obr. 2). Objemová hmotnost litiny se ve výpočtech uvažuje hodnotou ρ = 7200 kg/m³, měrné teplo lze vyjádřit konstantou c = 470 J/(kg.K) a tepelnou vodivost konstantou λ = 42 W/(m.K).

Zkoušky požární odolnosti litinových sloupů [8] potvrdily shody výpočtů s redukcí únosnosti za tepla jako u oceli.

V současné době se občas objevují duté litinové sloupy kruhových průřezů, u kterých bývá požadavek požární odolnosti. Podle druhu a kvality litiny (prokázaných na odebraných vzorcích), výše statických rezerv a velikosti požadavku požární odolnosti se nabízí možnost zvýšení odolnosti např. vyplněním dutých sloupů betonovou směsí. Čím vyšší bude objemová hmotnost betonového jádra sloupů (např. přidáním ocelových pilin), tím větší je rychlost odnímání tepla litinovému plášti při požáru a tím vyšších hodnot požární odolnosti lze docílit (R 15, R 30 až R 45). Při tomto způsobu ochrany je třeba umožnit odvod vodních par u hlavic sloupů [9].

Při posuzování požární odolnosti litinových sloupů považuji za velmi důležitý průkaz druhu použité litiny na stavbě, aby bylo možné co nejobjektivněji stanovit stupeň využití a následně odvodit pravděpodobnou hodnotu kritické teploty. Dalším důležitým poznatkem je to, že pokud není vnější povrch litinového sloupu chráněn požárněizolačním materiálem, je třeba vyloučit hasební zásah vodou.

 

Ocelové konstrukce

Změny mechanických vlastností oceli za zvýšených teplot se výrazně projevují po dosažení teploty cca 400 °C. Obdobné průběhy mají i různé druhy korozivzdorných ocelí (obr. 3). V současné době je tendence v některých provozech nahradit konstrukce z běžných ocelí konstrukcemi korozivzdornými. Postup posouzení chování při požáru je uveden v normě [3], výklad s řešenými příklady je obsažen v publikaci [6].

 

Kritérium požární odolnosti R

Nosnost je vyjádřena u ocelových konstrukcí kritickou teplotou oceli Θ_{a, cr}, která závisí na stupni využití μ₀, charakterizujícím míru statické rezervy zatíženého prvku při úrovni zatížení působícího při požáru, určeného podle [1, 2].

Základní rovnice pro stanovení kritické teploty běžné oceli podle [3] má tvar:

 

Θ_{a, cr} = 39,19.ln [(1/0,9674.μ0^3,388) – 1] + 482 (1),

 

kde μ₀ se nesmí uvažovat menší než 0,013, čemuž odpovídá maximální hodnota kritické teploty Θ_{a, cr} = 1136 °C.

 

Stupeň využití se vyjadřuje vztahem:

 

μ₀ = E _{fi, d}/R_{fi, d, 0}(2),

 

kde E_{fi, d} je návrhový účinek zatížení pro požární situaci podle ČSN EN 1991-1-2 [4] a R_{fi, d, 0} je návrhová únosnost za požární situace v čase t = 0.

Průběh pro běžné případy v praxi je uveden v tabulce 1.

Je nutné podotknout, že vliv stupně využití na hodnotu kritické teploty byl v České republice zaveden do ČSN 73 0851 již před 30 lety, a to poměrem napětí v průřezu prvku k mezi kluzu oceli.

Jiné rovnice a tabulky kritických teplot v závislosti na stupni využití μ₀ jsou uvedeny v [3] pro tažené části za studena ohýbaných průřezů a pro požárně odolnou ocel FRS275N.

Z výše uvedeného vyplývá, že má-li být stanovena požární odolnost ocelové konstrukce, je třeba posoudit každý nosný prvek zvlášť. To znamená stanovit stupeň využití pro úroveň zatížení při požáru, určit jeho kritickou teplotu a tuto hodnotu porovnat s teplotou dosaženou v průřezu v čase požadované požární odolnosti. Tento postup je náročný a pracný a vyplatí se např. při návrhu požárně odolných konstrukcí R 15 bez nutnosti jejich ochrany.

Jisté zjednodušení nabízí ČSN 73 0810 [5], kde je kritická teplota pro běžné druhy ocelových prvků doporučena taxativními hodnotami. Další doporučení kritických teplot nosných ocelových prvků je publikováno ve Směrnici ECCS [10]; nejpřísnější a nejnižší hodnota je doporučena ve skladech (Θ_{a, cr} = 482 °C), nejvyšší hodnota je doporučena u spojitých nosníků střešních plášťů (Θ_{a, cr} = 664 °C).

Porovnání kritérií požární odolnosti a tepelně-technických vlastností ocelových konstrukcí s konstrukcemi z hliníkových slitin a zjednodušené doporučené hodnoty kritických teplot jsou uvedeny v tabulce 2.

 

Obdobný postup jako při posuzování požární odolnosti ocelových konstrukcí se zavádí u konstrukcí z hliníkových slitin. Oproti oceli mají ­hliníkové konstrukce mnohem nižší teplotu tavení (590–650 °C). Změny mechanických vlastností za zvýšených teplot hliníkových slitin se výrazně projevují po dosažení teploty již cca 150 °C.

Návrh evropské normy prEN 1999-1-2 [4] uvádí celkem čtrnáct druhů hliníkových slitin. Průběhy redukčních součinitelů meze úměrnosti a modulu pružnosti některých vybraných hliníkových slitin jsou uvedeny na obrázku 4.

Pro stanovení kritické teploty konstrukcí z hliníkových slitin jsou k dispozici konstanty A, B, C, D, E (podle druhu EN slitiny), které jsou uvedeny v tabulce 3.

Rovnice pro výpočet kritické teploty má tvar

 

Θ_{a, cr} = C.ln [(1/A.μ ₀D) – 1] + B (3).

 

Ve výše uvedené rovnici (3) se stupeň využití μ₀ stanoví podle vztahu (2), obdobně jako u oceli, a jednotlivé konstanty závisejí na druhu použité slitiny z tabulky 3. Stejně jako v případě ocelových konstrukcí je tento postup náročný a pracný.

Úplné zjednodušení nabízí prEN 1999-1-2, která považuje za bezpečnou hodnotu kritické teploty nosného prvku z hliníkových slitin Θ_{a, cr} = 170 °C. Pro přibližné stanovení požární odolnosti nosné konstrukce z hliníkových slitin lze použít nomogram uvedený na obr. 5, který je publikován v [6]. V závislosti na stupni využití průřezu μ₀ a na druhu hliníkové slitiny se stanoví kritická teplota Θ_{a, cr} [°C] (na levé straně grafu) a podle součinitele průřezu Am /V [m^–1] se odvodí přibližná hodnota požární odolnosti nechráněného prvku (na pravé straně grafu).

Z tabulky 3 je patrné, že z hlediska požární odolnosti se jeví nejlépe slitina hliníku EN AW-5086 a nejhůře slitina EN AW-7045. 

 

Této problematice již bylo věnováno mnoho teoretických i praktických pojednání a publikací, např. [8, 9]. Pokusme se shrnout dosavadní poznatky týkající se ochrany kovových konstrukcí z hlediska nově zavedených Eurokódů [1, 2] a z hlediska současné praxe.

Ke zvýšení požární odolnosti nosných kovových prvků vedou tyto postupy:

a) Vytvoření statických rezerv (předimenzování průřezu). Tento způsob je efektivní např. při požadavku R 15 nosných a stabilitu zajišťujících ocelových prvků bez nutnosti ochrany před požárem. V případě možného užití parametrických (pravděpodobných) průběhů požáru, stanovených podle národních norem (ČSN 73 0804) nebo podle Eurokódu (ČSN EN 1991-1-2), lze prokázat i vyšší hodnoty nechráněných kovových konstrukcí;

b) Vyplnění uzavřených dutých průřezů (sloupů) hutným betonem. Tento způsob je použitelný u litinových či ocelových sloupů pro dosažení požární odolnosti R 30, případně až R 45 (minut). V případě litinové konstrukce, jak již bylo řečeno, je nezbytné znát její parametry, tj. stanovit na odebraných vzorcích pracovní diagram (v tlaku) a omezit či vyloučit hasební zásah vodou. Vyšší účinnosti lze docílit zvýšením hustoty betonového jádra výplně např. přidáním ocelových pilin (až 2600 kg/m³);

c) Přímá (kontaktní) ochrana vnějšího povrchu kovové konstrukce vhodnými materiály, např.:

● obetonování či obezdění,

● klasické omítky na pletivu,

● nástřikové omítkoviny,

● přímé obklady deskami,

● zpěňující nátěry.

 

Použití obkladových desek umožňuje suchou montáž s možností jednoduché povrchové úpravy a dosažení požární odolnosti až R 180 (minut).

S ohledem na problematickou životnost a nižší požárněizolační účinnost zpěňujících nátěrů je tento způsob ochrany vhodné použít tam, kde požadavek na požární odolnost např. ocelových konstrukcí činí R 15, R 30, výjimečně R 45 (jednopodlažní nadzemní objekty) a kde snadný přístup ke konstrukci umožní obnovu nátěru, kterou je nutno provést po uplynutí jeho prokázané a deklarované životnosti.

Jisté omezení použití zpěňujících nátěrů vy­plývá z revidované ČSN 73 0810:6/2005 Požadovaná požární odolnost stavebního či technologického objektu (viz tabulka 2.1 v ČSN EN 1990 [1]);

d) Zakrytí nosných prvků plošnými konstrukcemi:

● zabudování nosného prvku (sloupu, svislého ztužidla) dovnitř stěnové konstrukce,

● ochrana nosného prvku (průvlak, nosník, vodorovné ztužidlo) zavěšeným podhledem.

 

Správně navržený podhled může kromě zajištění požární odolnosti plnit i další požadavky (tepelná a akustická izolace, estetika vzhledu);

e) Zvláštním případem zvýšení požární odolnosti nosných prvků z hliníkových slitin je vyztužení uzavřených profilů ocelovým prvkem: nechráněným pro zajištění požární odolnosti R 15, případně chráněným pro zajištění R 30 – viz příklad horizontální konstrukce se zasklením na obrázku 7;

f) Další možností zvýšení požární odolnosti komorových průřezů samonosných konstrukcí z hliníkových slitin je jejich vyplnění vhodnou hmotou (sádrovlákno apod.). Na obrázku 8 je příklad možnosti zvýšení požární odolnosti rámů prosklené nenosné požárně dělicí stěny či požárního uzávěru kombinací výplní buď pouze prostředního profilu, obou krajních, nebo všech tří profilů izolační hmotou. Tímto způsobem lze docílit požární odolnost EI 15 až EI/EW 60.