Hodnocení požární odolnosti ocelových konstrukcí podle Eurokódů

Autor: Ing. Jan Karpaš, CSc

1. Zrušená ČSN 73 0821

Od 1.března 2010 byla zrušena ČSN 73 0821 z 28.2.1973. Tím bylo automaticky zrušeno hodnocení požární odolnosti nechráněných ocelových sloupů a nosníků v závislosti na součiniteli průřezu O/F, resp. A_m/V. Podle zrušené normy  bylo možno jednoduše posoudit, zda požární odolnost nechráněného ocelového prvku vyhoví či nevyhoví velmi častému požadavku na R15.

2. Navrhování ocelových konstrukcí podle Eurokódů:

Od 1. března letošního roku se mají v EU všechny stavební konstrukce navrhovat podle Eurokódů. Lze konstatovat, že Česká republika jde, oproti jiným evropským státům příkladem. Ocelové konstrukce se navrhují podle ČSN EN 1993-1-1. Pro navrhování ocelových konstrukcí na účinky požáru se postupuje podle ČSN EN 1993-1-2.

Účinek zatížení pro požární situaci Ε_fi,d, který se stanoví podle ČSN EN 1991-1-2, lze zjednodušeně získat  analýzou konstrukce za běžné teploty ze vztahu:

Ε_fi,d = n_fi E_d

kde E_d je návrhová hodnota příslušné vnitřní síly nebo momentu, určená pro navrhování pro běžnou teplotu a pro základní kombinaci zatížení podle ČSN EN 1990;

n_fi je redukční součinitel úrovně zatížení při požáru.

U ocelových konstrukcí lze pro zjednodušení použít hodnotu redukčního součinitele n_fi = 0,65 kromě prostorů, umožňujících nashromáždění zboží (skladů), kde se doporučuje hodnota 0,7.

Podle čl. 4.2.4 ČSN EN 1993-1-2 může být kriterium R – nosnost – ověřeno prostřednictvím času dosažení kritické teploty oceli. Kritická teplota uhlíkové oceli θ_a,cr může být určena, při rovnoměrném rozdělení teploty µ₀ v čase t = 0 z výrazu:

θ_a,cr = 39,19 ln [(1:0,9674 µ₀^3,833) -1] + 482

Pro prvky s průřezy třídy 1,2 nebo 3 a pro všechny tažené prvky může být stupeň využití v čase t = 0 určen z výrazu:

µ₀ = Ε_fi,d : R_fi,d,0

kde R_fi,d,0 je odpovídající návrhová únosnost ocelového prvku pro návrhovou požární situaci c čase t = 0.

3. Zjednodušené posouzení požární odolnosti ocelových konstrukcí pomocí tabulek, uvedených v nové publikaci PAVUS a.s.:

Za účelem možnosti rychlého a zjednodušeného hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů byla vypracována v listopadu 2009 publikace PAVUS a.s. „Hodnoty požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů“ V této publikaci jsou uvedeny požární odolnosti typických konstrukcí (ocelových, betonových, spřažených ocelobetonových, dřevěných a zděných) v přehledných tabulkách.

V tabulce 3.1 této publikace jsou uvedeny hodnoty požární odolnosti nechráněných ocelových prvků v závislosti na stupni využití  µ₀ a na součiniteli průřezu A_m/V pro různé kritické  teploty oceli θ_a,cr. Ve vztahu součinitele průřezu značí:

A_m je plocha povrchu prvku na jednotku délky

V...je objem prvku na jednotku délky

4. Zjednodušení hodnot kritických teplot oceli podle ČSN 73 0810

Jisté zjednodušení hodnot kritické teploty oceli uvádí čl. 5.1.3 ČSN 73 0810:2009:

„Při hodnocení požární odolnosti ocelových prvků lze bez dalšího průkazu u těchto částí ocelových konstrukcí považovat za kritickou teplotu:

a) 500⁰C u sloupů, nosníků, průvlaků, vazníků apod., zajišťujících stabilitu objektu nebo jeho části, nebo u sloupů podpírajících technická a technologická zařízení;

b) 560⁰C u zavětrovacích prvků, střešních nosníků, vaznic, krokví či prvků střešních plášťů, roštových podlahových prvků apod;

c) 620⁰C u nosných prvků obvodových plášťů, které nezajišťují stabilitu objektu ani jeho části.

Tabulka 3.1. (Publikace PAVUS a.s.)

Požární odolnost ocelových nechráněných sloupů a nosníků v závislosti na

_- stupni využití µ₀

- součiniteli průřezu A_m/V

- pro tři základní hodnoty kritické teploty oceli podle ČSN 73 0810 (500⁰C, 560⁰C a 620⁰C) a další tři doplňující hodnoty  (680⁰C, 720⁰C a 740⁰C)

Poznámka: *) Podle ČSN EN 1993-1-2 lze odvodit kritickou teplotu oceli přesně podle stupně využití

průřezu µ₀.

5. Příklady zjednodušeného posouzení ocelových prvků podle čl. 5.1.3 ČSN 73 0810:

a) Nosný sloup kruhového průřezu průměru 114 mm, tl. stěny 16 mm, vystavený
účinkům normového požáru ze čtyř stran:

Poměr A_m/V = 74 m^-1.  Z výše uvedené tabulky vyplývá, že pro θ_a,cr = 500⁰C a součinitele
průřezu A_m/V = 75 m^-1 vychází požární odolnost R 16.

Posouzení:    A_m/V = 74 m^-1 < 75 m^-1

R 16 < R 15

Nechráněný sloup vyhoví požární odolnosti R 15

b) Střešní nosník I 400 vystavený účinkům normového požáru ze tří stran.

Poměr A_m/V = 100 m^-1. Z výšeuvedené tabulky vyplývá, že pro  θ_a,cr = 560⁰C a součinitele
průřezu A_m/V = 100 m^-1 vychází  požární odolnost R 15.

Posouzení:  A_m/V = 100 m^-1 = 100 m^-1

R 15 = R 15

Nechráněný nosník vyhoví požární odolnosti R 15

6. Posouzení požární odolnosti podrobnými výpočty podle Eurokódů:

Tento způsob znamená provést statický výpočet ocelové konstrukce na účinek zatížení pro požární situaci podle příslušných Eurokódů. Vyšší pracnost při návrhu a posouzení by měla být kompenzována hospodárnějším výsledkem. Úroveň zatížení pro požární situaci se provádí podle ČSN EN 1990 a ČSN EN 1991-1-2. Posouzení požární odolnosti se provádí podle ČSN EN 1993-1-2. Ze stupňů využití µ₀ v jednotlivých průřezech ocelové konstrukce se odvodí příslušné kritické teploty oceli θ_a,cr.

Přesnými výpočty  se stanoví charakteristické teploty dosažené v požadovaném čase (např. R 15) v jednotlivých průřezech, vystavených účinkům požáru, případně pravděpodobnému (parametrickému) požáru.

Pro požadavek R 15 musí být pro nechráněné ocelové konstrukce splněna podmínka: T₁₅ ↑ θ_a,cr.

Teplota dosažená v průřezu v 15.minutě, nesmí být větší, než kritická teplota oceli θ_a,cr.

7.  Zkušenosti z prokazování R 15 nechráněných ocelových hal: výpočty podle Eurokódů

Díky redukci dominantního užitného zatížení při požáru lze touto cestou poměrně hospodárně  navrhnout ocelové konstrukce halových objektů s požadavkem R 15, které jsou opláštěny lehkými obvodovými a střešními panely či lehkými skládanými sendvičovými plášti.

Problém hospodárného návrhu nechráněné ocelové konstrukce pro R 15 může nastat v případech poměrně velkého stálého zatížení (např. střešní betonové panely na ocelových rámech). V těchto případech se nabízí řešení buď použitím vyšší pevnosti oceli, nebo dodatečnými způsoby protipožární ochrany OK např. intumescentním ochrannými nátěry, nástřiky či obklady.

8. Závěr:

Požární odolnost nechráněných ocelových prvků, uvedená v tabulce 3.1 publikace PAVUS a.s. byla stanovena podle Eurokódů. Stanovené hodnoty jsou poměrně přísné. To vychází ze všeobecně přijaté filozofie Eurokódů a pro ocelové konstrukce z Evropské směrnice ECCS-TC 3. Početně stanovené hodnoty jsou – oproti zkouškám – na straně bezpečnosti.