Perspektiva protipožárních ocelí

Autor: Ing. Lukáš Pindor

 

Úvod

Ocel jako konstrukční prvek nabízí velký potenciál. S rostoucí vyspělostí moderního designu a konstrukčních technologií se více ukazují architektonické možnosti oceli, hlavně její přizpůsobivost a ekonomická výhodnost. To vše se projevuje nejen v rostoucí výšce a rozpětí staveb, ale také ve vzrůstajícím důrazu na atraktivnost ocelové konstrukce. Ruku v ruce s tímto důrazem roste i všeobecný zájem o požární bezpečnost staveb a zpřísňují se požadavky na nosné konstrukce. České i zahraniční normy stanovují minimální požární odolnost jednotlivých prvků a konstrukcí, přičemž v současné době se dosahuje této bezpečnostní úrovně hlavně použitím pasivních protipožárních ochran, tedy dodatečně aplikovaných materiálů snižující rychlost ohřevu ocelového prvku v případě požáru.

Na druhou stranu existuje skupina konstrukčních ocelí se zvýšenou odolností vůči požáru (dále jen protipožární), které v porovnání s konvečními ocelemi jsou samy schopné zvyšovat dobu požární odolnosti konstrukcí a staveb. Tyto protipožární oceli si umí udržet 2/3 své meze kluzu za laboratorní teploty do teplot kolem 500 - 600°C díky optimalizovanému chemickému složení těchto ocelí a použití řízeného tváření, případně dodatečného tepelného zpracování při jejich výrobě. V zahraničí se protipožární oceli již několik let úspěšně prodávají, přičemž nejvíce pozornosti se těší v Japonsku, Číně, Indii a Austrálii. Z Evropských výrobců lze jmenovat společnosti Mannesmann, ThyssenKrupp či Corus. V České republice se vývojem zabývali a stále zabývají Třinecké železárny, a.s. a Metalurgický a Materiálový Výzkum Ostrava.

Cílem tohoto článku je zhodnocení perspektivy protipožárních konstrukčních ocelí při srovnání s konvečními ocelemi na řešeném příkladě. Na vzorovém příkladu výpočtu únosnosti nosníku vyrobeného z oceli S275 a experimentální protipožární oceli je hodnoceno dosažení požární odolnosti R30. Následně si tento článek klade za cíl hrubé srovnání možných finančních nákladů při použití konveční a protipožární oceli v konstrukci.

Protipožární ocel

Protipožární oceli jsou oceli legované, ve kterých se zvýšená požární odolnost dosahuje kombinací zpevněním tuhého roztoku a precipitačním zpevněním karbidy či karbonitridy. Z chemického hlediska se u většiny těchto ocelí využívá příznivého vlivu molybdenu. Precipitační zpevnění matrice pak obstarávají niob, titan, vanad, hliník a v některých případech je podpořena prokalitelnost přísadou boru. Důraz je také kladen na postup tváření těchto ocelí a také na možné další tepelné zpracování (například normalizační žíhání), které jsou nezbytné pro dosažení jemnozrnné struktury. Další vlastnosti jako tažnost a svařitelnost aj. mají protipožární oceli totožné s konvečními konstrukčními ocelemi.

Pro výpočty požární únosnosti je zvolena ocel S275 a experimentální protipožární ocel označená jako Tavba 1 (chemické složení v Tab. 1) vyvíjená v Metalurgickém a Materiálovém Výzkumu Ostrava [1]. Jedná se o ocel s mezí kluzu na úrovni 300 MPa. Redukční součinitelé pro mez kluzu k_y, nezbytné pro výpočet únosnosti, byly interpolačně stanoveny z grafu
na Obr. 1.

Tab. 1. Chemické složení experimentální ocel tavba 1 [1]

	C	Mn	Si	P	S	Mo	V	Al	Cr
Tavba 1	0,12	0,96	0,089	0,015	0,014	0,14	0,073	0,074	0,17

 

Obr. 1: Srovnání průběhu korigovaného redukčního faktoru k_y pro Rp0,2 u tavby 1 a 2 a oceli FR 30 s normovanými hodnotami podle EN 1993-1-2 [1]

Experimentální výpočet

Pro výpočet únosnosti v případě požáru byl navržen nosník HEM 260 vyrobený z oceli S275 a návrhově zatížený g_Sd = 3,0 kN/m² , q_Sd = 5,0 kN/m², q_d = (γ_g g_Sd + γ_q q_Sd ) = 45,0 kN/m (Obr. 2). Nosník je průřezem 1. třídy a vzdálenost nosníků je 4 m.

γ_g = 1,35, γ_q = 1,5, γ_M.0 = 1,15 a γ_M.fi = 1,0, w_pl.y = 2520000 mm³

Návrh za běžné teploty

Působící ohybový moment 

 

Obr.2: Zatížení nosníku [4]

Betonový strop zajišťuje stabilitu pásnice nosníku. Momentová únosnost se rovná:

Ověření nosnosti pro S275:

 

- podmínka splněna.

 

Návrh na účinky požáru

Při zatížení během požární situace dle ČSN EN 1993-1-2 [2] se používá součinitel kombinace ψ₁ =0,5. Při této situaci se redukuje zatížení při vzdálenosti nosníků 4 m:

, kde hodnoty součinitelů zatížení při požáru γ_g = 1,0 a γ_q = ψ₁=0,5.

Návrhový ohybový moment se rovná: 

Momentová únosnost za běžné teploty se vypočítá ze vztahu:

Podle ČSN P ENV 1993-1-2 [2] se únosnost nosníku zakrytého betonovou deskou zvýší součinitelem podmínek působení pro nerovnoměrné rozdělení teploty κ₁ = 0,7 a součinitelem podmínek působení po délce nosníku κ₂ = 1,0.

Poměr Am/V= 59 m^-1 lze pro nosník HEM 260 exponovaný ze tří stran nalézt v tabulce [3]. Výpočet teploty oceli se provede dle vzorce odvozeného metodou nejmenších čtverců a publikovaného v práci [4]. Požadovaná požární odolnost je R30.

kde, t = 30 minut.

Pro S275 lze z tabulky v ČSN EN 1993-1-2 [2] interpolací určit pro teplotu 763,7°C redukční součinitel pro mez kluzu k_y= 0,2876. Z grafu na Obr. 1 lze odvodit pro experimentální požární ocel Tavba 1 odvodit k_y = 0,3667.

Únosnost nosníku zakrytého betonovou deskou při použití oceli S275 lze tedy stanovit:

Ověření nosnosti:

podmínka není splněna.

 

Únosnost nosníku zakrytého betonovou deskou při použití oceli Tavba 1:

Ověření nosnosti:

podmínka splněna.

 

Protože nosník z oceli S275nevyhověl, navrhne se například izolace sádrovláknitou deskou a lze v tabulkách [3] pro nosník HEM 260 nalézt, že Am/V= 39 m^-1.

Opětovný výpočet teploty oceli dle práce [4]

Pro S275 pak dle ČSN EN 1993-1-2 [2] redukční součinitel k_y pak nabírá hodnotu 0,5993.

Únosnost nosníku při použití oceli S275

Ověření nosnosti:podmínka splněna.

 

Diskuze

Na základě příkladového výpočtu požární odolnosti R30 nosníku HEM260 se prokázala perspektiva použití protipožárních konstrukčních ocelí. Pro projektanta v oblasti staveb jsou však vedle splnění požadavku požární odolnosti důležité i celkové náklady. Náklady na ocelovou konstrukci lze, dle mého názoru, zhruba vyjádřit cenou oceli samotné, cenou za montáž a cenou za dodatečnou aplikaci pasivní ochrany konstrukčního prvku.

Z hypotetického příkladu uvedeného v tomto článku vyplývá, že při použití oceli S275 by tedy bylo nutno aplikovat nezbytnou optimální ochranu ocelové konstrukce a to v podobě různých nástřiků, stříkaných omítek, obkladů aj. Do nákladů by se v tomto případě také promítly normohodiny z aplikace této ochrany. Z celkového pohledu by konečná cena vzrostla právě o tyto dodatečné náklady, jejíž výše se v současné době pohybuje v řádech od několika set do řádu několika tisíců korun za m² pasivní ochrany.

Pokud by se v úvahu vzala ocel označená Tavba 1, lze říci, že by se náklady lišily pouze cenou oceli samotné. V rámci konfrontace výrobních nákladů pro ocel S275 a ocel Tavba 1, byla v TŽ, a.s. provedena přibližná cenová kalkulace. Experimentální ocel Tavba 1 by byla při použití stejného procesu výroby dražší o cca 2300 Kč/t oceli (při použití cen vstupních surovin platných pro 1.3.2010). V případě, že by byl výrobek z oceli Tavba 1 dále normalizačně žíhán, vzrostla by cena o přibližně 2000 Kč/t. Normalizační žíhání však není nezbytné, neboť požadovaných vlastností lze dosáhnout taktéž řízeným válcováním. V komplexu by pak na vrub protipožárních ocelí bylo třeba dále připočíst nepatrně vyšší cenu spojovacích a svařovacích materiálů.

Závěr

Jak bylo v tomto článku na příkladu experimentální oceli Tavba 1 prokázáno, jeví se z hlediska požární odolnosti použití protipožárních oceli velice perspektivně. Z ekonomického pohledu lze říci, že protipožární oceli by nalezly uplatnění u konstrukcí, u kterých by bylo třeba použít nákladnějších pasivních ochran pro zabezpečení příslušné požární odolnosti. Tato hypotéza je však směrována na posouzení příslušným odborníkům.

 

Použitá literatura:

[1]           http://www.e-architekt.cz/index.php?PId=2717&KatId=127

[2]           ČSN P ENV 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1.2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. Praha: Český normalizační institut, 1996

[3]           http://www.fgg.uni-lj.si/kmk/EVROKOD-3JK.pdf

[4]           http://www.bft-cognos.de/ dl/DA3.pdf