Spřažené dřevobetonové stropní konstrukce za požáru

Vlastnosti spřažených dřevobetonových stropů za požáru

Jednou z výhod spřažených dřevobetonových stropů je jejich vyšší požární odolnost ve srovnání s tradičními trámovými stropy. Ta je dosažena:
■ vyšší únosností jejich průřezu při běžné teplotě i při požáru (kritérium únosnosti R);
■ příznivějším chováním betonové desky při působení požáru oproti tradičním dřevěným záklopům z hlediska dalších dvou kritérií:
– celistvosti E;
– tepelné izolace I.

Únosnost spřaženého dřevobetonového průřezu při požáru je dána především únosností dřevěného nosníku a použitého typu spřažení. V průběhu požáru se postupně zvyšuje teplota uvnitř průřezu dřevěného nosníku, která vede k redukci mechanických vlastností dřeva a při teplotách nad 200 °C k jeho odhořívání a redukci průřezu nosníku. Hoření dřeva bylo podrobeno značnému množství výzkumů, které tento děj důkladně popisují a poskytují spolehlivé metody vhodné k použití pro modelování hoření dřeva vystaveného teplotám podle nominální či parametrické teplotní křivky. Zvýšená teplota má vliv i na spřažení, na jeho únosnost a tuhost. S rostoucí teplotou únosnost a tuhost spřažení klesá. Tento pokles je závislý na teplotě uvnitř průřezu v místě spřahovacích prostředků, a tedy velmi závisí na rozměrech průřezu nosníku. Tuto závislost je možné stanovit na základě požárních zkoušek daného typu spřažení.

Teplota a tepelné vlastnosti dřeva v průběhu požáru

Vysoké teploty způsobují odhořívání dřevní hmoty a mění její tepelné vlastnosti (měrná tepelná kapacita, tepelná vodivost) a mechanické vlastnosti (pevnost, modul pružnosti). Při požáru dochází nejprve k pyrolýze dřeva a k jeho postupnému zuhelnatění při teplotách přibližně mezi 200–300 °C. Zuhelnatělá vrstva zcela ztrácí své původní mechanické vlastnosti, avšak vzhledem k prakticky nulové hmotnosti a nízké tepelné vodivosti izoluje zbylý průřez. V hloubce cca 30 mm pod zuhelnatělou vrstvou má již dřevo teplotu přibližně stejnou jako na počátku požáru.

Mechanické vlastnosti dřeva v průběhu požáru
Stanovení teplotně závislých mechanických vlastností dřeva při vysokých teplotách komplikuje skutečnost, že je toto stanovení ještě více propojeno se zkušební metodou než při běžné teplotě (konstantní teplota – proměnné zatížení, konstantní teplota – konstantní zatížení, proměnná teplota – konstantní zatížení). Dosavadní poznatky o mechanických vlastnostech dřeva při vysokých teplotách vycházející z výzkumů Sulzbergera, Kollmanna, Schaffera, Knudsona a Östmanové shodně vykazují, navzdory velkému rozptylu, více či méně lineární pokles mechanických vlastností dřeva s rostoucí teplotou, viz obr. 1. Pevnost v tahu, respektive modul pružnosti v tahu, je ovlivněna vysokými teplotami nejméně, zatímco pevnost v tlaku, respektive modul pružnosti v tlaku, je ovlivněna teplotou nejvíce. Deformační vlastnosti (modul pružnosti E) jsou navíc ovlivňovány dotvarováním, které je způsobováno vlhkostí, velikostí napětí a v případě vysokých teplot i přítomností tepla. Jedná se o tzv. vysokoteplotní dotvarování. To vede ke snižování modulu pružnosti s rostoucí teplotou a nejvýrazněji se projevuje při namáhání v tlaku a u dřevěných prvků malého průřezu. Další ovlivňující parametr je vlhkost, jejíž obsah ve dřevě se s teplotou také mění a má podstatný vliv na vlastnosti uvedené výše. Čím větší je prvotní vlhkost dřeva, tím větší je také její vliv.

Zkoušky spřažených dřevobetonových konstrukcí na účinky požáru

V minulosti bylo provedeno mnoho výzkumů zaměřených na materiálové vlastnosti dřeva a dřevěných konstrukčních prvků při působení vysokých teplot (Schaffer, White, Röll, Topf, Dorn, Egner, Dreyer, Haksever, Lache, Mikkola a další), avšak výzkum zabývající se chováním různých typů spřažení a komplexním chováním spřažených dřevobetonových stropních konstrukcí vystavených účinkům požáru nebyl doposud ve větší míře prováděn. První rozsáhlý výzkum uskutečnili na ETH Zürich M. Fontana a A. Frangi v roce 2000 [1], [2]. ČVUT v Praze se proto již delší dobu věnuje problematice spřažených dřevobetonových konstrukcí vystavených účinkům požáru, a to nejen s betonovou deskou vyztuženou klasickou roznášecí výztuží, ale i s rozptýlenou výztuží [8]. Předmětem výzkumu jsou též prefabrikované dřevobetonové stropní konstrukce a vývoj nových spřahovacích prostředků.

Zkoušky provedené na ETH Zürich
Výzkum byl zaměřen na dva typy spřažené dřevobetonové stropní konstrukce s několika různými způsoby spřažení.
■ První typ konstrukce se skládal z deskového řeziva s pravidelně se střídající výškou dřevěných lamel a betonové desky bez použití mechanických spřahovacích prostředků. Spřažení bylo zajištěno pouze mechanickým spolupůsobením na kontaktu neopracovaného povrchu lamel dřeva a betonové desky.
■ Druhý typ konstrukce reprezentoval klasický trámový strop s trámy z hraněného řeziva nebo lepeného lamelového dřeva, které byly s betonovou deskou spřaženy buď použitím vrutů (viz obr. 2) umístěných na trámu ve dvou řadách a zavrtaných ve sklonu 45°, nebo pomocí SFS zářezů vyfrézovaných do horního líce dřevěného prvku a do nich vlepených trnů Hilti.

U obou konstrukčních variant byla použita mezivrstva – dřevěné bednění. Oba typy mechanických spřahovacích prostředků byly podrobeny zkouškám na vytažení za běžné teploty a teploty odpovídající průběhu požáru podle nominální teplotní křivky (podle ISO 834). Smykové zkoušky byly prováděny při běžné teplotě a při působení požáru ISO. Dále se uskutečnily ohybové zkoušky různých typů kompozitních dřevobetonových stropních konstrukcí při běžné teplotě. Konečně byla zkoušena ohybová únosnost výše zmiňovaných variant kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce při působení požáru podle nominální teplotní křivky. V tomto článku je podrobněji popsáno pouze chování spřažení s SFS vruty, protože toto spřažení bylo předmětem výzkumu také na ČVUT.

Celý článek naleznete v archivu čísel 01-02/2017.