Vliv požáru na betonové konstrukce a možnosti ochrany

Požár představuje jedno z nejvážnějších rizik pro stavební konstrukce, jelikož je provázen extrémně vysokými teplotami, které negativně ovlivňují chování jednotlivých materiálů i jejich vzájemné spolupůsobení. Beton, ačkoliv je klasifikován jako nehořlavý stavební materiál, podléhá při působení vysokých teplot značným změnám vlastností. Tento článek se zaměřuje na problematiku chování betonu při zatížení vysokými teplotami, na možnosti identifikace poškození a na účinné metody zvýšení požární odolnosti betonových konstrukcí.

Poškození betonu a jeho identifikace

K hlavním škodám způsobeným ohněm v betonových konstrukcích patří porušení pevnosti betonu, jeho praskání, odlupování, změna barvy a deformace prvků. Z těchto škod podstatného významu nabývá snížení pevnosti betonu spojené s jeho následným praskáním. Ačkoliv vyčíslit přesné změny jeho pevnosti je nereálné, lze do jisté míry stanovit jeho poškození na základě měření rychlosti ultrazvuku.

Vlivem impulsu na beton vzniká v tomto prostředí převládající podélné a příčné vlnění. Změna rychlosti vlnění však vždy neodpovídá změně pevnosti betonu. Ačkoliv se rychlost vlnění při teplotě 300 °C mění asi o 15 %, nedochází ke změně pevnosti betonu. Proto není nutné považovat za méně hodnotný beton v té části konstrukce, kde rychlost vlnění je rovna 0,85 vc. V dynamicky zatížených konstrukcích je účelné opravit beton až do hloubky, kde je dosaženo alespoň rychlosti vlnění 0,95 vc.

Největším významem šíření vln je rozlišení zbytkové pevnosti v jádře betonu a tloušťky poškozené betonové vrstvy na vnější straně průřezu. Tím, že oheň strukturálně mění vnější vrstvu betonu, jádro betonu má ve srovnání se zasaženou vnější vrstvou značně nižší teplotu. V mnoha případech si jádro betonu ponechává svou původní pevnost a je žádoucí, aby byla posuzována jen určitá tloušťka povrchu betonu, na který působí oheň.

Hloubky pronikání tepla dosahují cca 20, 50 a 80 mm pro povrchové teploty 300, 500 a 700 °C. Použitím výše uvedených hodnot může být rychlost pronikání teploty do průřezu znázorněna na základě rychlosti šíření hoření. Graf představuje hloubku pronikání z exponovaného povrchu do vrstvy, mající danou hodnotu rychlosti se vzrůstem teploty. Redukce pevnosti zahřátého betonu se projevuje značnou změnou nad 300 °C.

Čtěte také: Vlastnosti dřevovláknité izolace – požární odolnost

Chování betonu při vysokých teplotách

Beton je materiál nehořlavý, ale v případě vystavení vysokým teplotám dochází ke zmenšení jeho pevnosti i betonářské výztuže, která se do betonu vkládá v místech tahového napětí. Při požáru dochází v betonu k fyzikálním i chemickým změnám.

• Při teplotách okolo 100 °C se odpařuje fyzikálně vázaná voda a vlhkost v pórech. Tento děj dočasně zvyšuje pevnost betonu a rychlost odpařování vody ovlivňuje druh a technologické provedení betonu.
• Už při teplotách 200 až 250 °C dochází k výrazné degradaci betonu.
• Při teplotách nad 300 °C bývá porušen mikrotrhlinami na ohřívaném povrchu. Prudká expanze páry způsobuje odprýsknutí horní vrstvy betonu.
• Při teplotách 400-500 °C se uvolňuje z betonu část chemicky vázané vody, kdy dochází k rozkladu portlanditu Ca(OH)2 na oxid vápenatý CO2 a vodu H2O.
• Při teplotě 573 °C dochází k fázové přeměně křemene.
• Při teplotě 840 °C dochází k rozkladu dolomitického vápence.
• Při teplotě 930 °C probíhá rozklad CaCO3.

Odprýskávání betonu má za následek odpadávání jednotlivých krycích vrstev konstrukce, odhalení výztuže, která není dále kryta před účinkem požáru, její ohřátí na nepřípustnou mez, ztráta její pevnosti, současně se ztrátou pevnosti betonu vlivem vysoké teploty vznik trhlin a prasklin a případný následný kolaps konstrukce.

Chování oceli při požáru

Ocel je známa jako nehořlavý materiál, ale charakteristickou vlastností ocelových konstrukcí je jejich nízká požární odolnost. Při působení vysokých teplot, které vznikají při požáru, dochází k deformacím a ztrácí svou únosnost a stabilitu. Teplota zhruba kolem 470 °C se považuje za kritickou teplotu oceli. Mezi 700 - 800 °C dochází ke smršťování struktury oceli v důsledku změny její mikrostruktury. Kombinace železobetonové konstrukce a oceli je v případě požáru užitečná. Ocel je ve stavební konstrukci chráněna betonem a tak se neprojeví tak rychle její negativní vlastnosti co se týče změn únosnosti.

Možnosti zvýšení požární odolnosti

Jako jedna z účinných možností ochrany betonu před zatížením extrémní teplotou při požáru je přesvědčivě prokázáno použití nekovových vláken jako součást směsi. Tím může být značně omezeno odprýskávání vrstev betonu. Nejčastěji používaná vlákna pro zvýšení požární odolnosti jsou vlákna polypropylenová (PP). Tato vlákna fungují tak, že vytvoří ve struktuře betonu cesty a expanzní prostor, což pozitivně ovlivní migraci vlhkosti a/nebo procesy odpařování v zahřátém betonu. To umožňuje snížení okamžitého vnitřního napětí v betonu v důsledku snížení tlaku páry, čímž se snižuje náchylnost k odprýskávání povrchů.

V posledních několika letech vyvolaly problémy související s environmentální a ekologickou problematikou rozsáhlý výzkum materiálů šetrných k životnímu prostředí. Zvláštní zájem je u kompozitních materiálů věnován použití vláken získaných z obnovitelných rostlinných zdrojů. Např. celulózová vlákna (CEL) vykazují řadu důležitých výhod, jako je široká dostupnost za relativně nízkou cenu, biologická obnovitelnost a rozložitelnost. U těchto vláken dochází při teplotě okolo 260 °C k tepelné degradaci, resp. k rozpadu vlákna a tvorbě kanálků, čímž se zlepší požární odolnost.

Čtěte také: Hodonínsko v plamenech

Přírodní zdroje, jež nelze obnovit, jde právě efektivně šetřit opětovným použitím zmiňovaného polymerního odpadu, v němž má největší zastoupení polyethylen následován polyethylentereftalátem, známým pod zkratkou PET. Stejně jako PP vlákna, tak i PET vlákna mají potenciál ke snížení odprýskávání betonu při vysokých teplotách, neboť při narůstající teplotě dochází k vytváření kanálků, kde se vodní pára může rozpínat. Přídavek vláken do betonu se nepoužívá jen pro zvýšení požární odolnosti, ale také pro zlepšení fyzikálně-mechanických vlastností.

Experimentální ověření účinnosti vláken

Pro výrobu betonu byly v rámci proběhlého výzkumu vybrány materiály, které se běžně používají v praxi. Důvodem výběru těchto surovin je simulace chování obvykle dostupného betonu při vysokých teplotách a zkoumání možné eliminace negativních účinků při působení vysokých teplot na beton. Byly namíchány receptury s portlandským cementem, praným těženým kamenivem a různými druhy vláken, včetně polypropylenových (PP), recyklovaných celulózových (CEL) a PET vláken. Celkem bylo namícháno sedm různých receptur, u nichž se měnil druh vlákna nebo byla použita jejich kombinace.

Přídavek vláken do struktury betonu přispěl ke zvýšení pevnosti v tlaku, který se projevil na všech betonech s vlákny. Všechny betony s přídavkem vláken vykazovaly průměrně o 1 MPa vyšší pevnost v tahu za ohybu oproti referenčnímu betonu (4,8 MPa). Nejnižší hodnota příčného tahu byla zjištěna u referenčního betonu bez vláken. Bylo obecně očekáváno zvýšení tahových pevností přidáním vláken, což se potvrdilo, přestože se ve většině případů jedná o mikrovlákna. U betonů s CEL došlo ke zvýšení pevnosti pravděpodobně nejen z důvodu zpevnění struktury, ale také z důvodu vnitřního ošetřování, kdy vlákna do sebe absorbovala vodu, čímž se snížil vodní součinitel a tím se snížila i pórovitost betonu.

Po vysokoteplotním zatížení byla dále zkoumána zbytková pevnost v tlaku a změna hmotnosti. Zkouška pevnosti v tlaku ukázala, že nejvyšší hodnoty se vyskytovaly u všech betonů před teplotním zatížením, kdy proti namáhání spolupůsobila vlákna s cementovou matricí. Z grafu je patrné, že přídavek vláken vedl ke zvýšení zbytkové pevnosti oproti referenčnímu betonu bez vláken. Nejvyšší zbytková pevnost v tlaku byla vyhodnocena pro beton s přídavkem PP vláken, čímž bylo potvrzeno, že jejich přidávání do betonu za účelem zvýšení požární odolnosti je opodstatněné. Hodnota zbytkové pevnosti v tlaku se pohybovala přes 90 % z původní hodnoty. Hodnota zbytkové pevnosti u receptury PET byla oproti receptuře s PP nižší. Důvodem může být vyšší teplota tání přidaných vláken. Nejnižších hodnot zbytkových pevností dosahovaly receptury s recyklovanou celulózou.

Přídavek všech druhů vláken pozitivně ovlivnil mechanické vlastnosti betonu za normálních podmínek. Po vystavení vysokoteplotnímu zatížení došlo u betonů s vlákny k výrazně menšímu zhoršení mechanických vlastností než u referenčního betonu, vlákny nevyztuženého. U zbytkové pevnosti v tlaku u receptur s PET a PP vlákny došlo k nižšímu úbytku zbytkové pevnosti ve srovnání s referenční recepturou (73,7, resp. 90,5 % oproti 53,1 %). PET vlákna vyrobená z odpadního materiálu mají potenciál pro přidávání do betonu k dosažení vyšší požární odolnosti betonu či prvků konstrukce díky uspokojivému chování při vysokém teplotním zatížení. U betonů s CEL vlákny došlo také k nižšímu úbytku zbytkové pevnosti v tlaku ve srovnání s referenčním betonem, avšak oproti betonům s PET a PP vlákny s menší efektivitou.

Čtěte také: Důležité informace o požární ochraně a odolnosti střech

Sanace betonových konstrukcí po požáru

Sanace betonové podlahy porušené při požáru průmyslové haly zahrnuje postup zjišťování škod vzniklých na podlahových betonových konstrukcích v důsledku působení vysokých teplot. Při provedení sanace betonové průmyslové podlahy zasažené požárem byl jako první krok proveden stavebně-technický průzkum konstrukce a byly využity metody odborné diagnostiky stavu konstrukce.

Na základě výsledků stavebně-technického průzkumu byla provedena volba technologie pro odstranění degradovaného betonu a byl navržen způsob opravy betonové podlahy. Využití komplexu fyzikálně-mechanických a chemických metod při diagnostice konstrukcí zasažených nahodilým tepelným šokem je jedním z nezbytných kroků pro adekvátní sanační zásah. Konkrétně lze poukázat na výhodu využití rentgenového tomografu, kterým je možné vidět trojrozměrnou vnitřní strukturu daného materiálu.

Požární odolnost dle EUROKÓDŮ

Betonové konstrukce se navrhují podle ČSN EN 1992-1-1. Kapitoly 2.1 až 2.8 jsou výtahem tabulek uvedených v ČSN EN 1992-1-2. Hodnoty uvedené v tabulkách se týkají železobetonových sloupů, nenosných i nosných stěn, nosníků a desek. Výraz 'a' uvedený v tabulkách značí osovou vzdálenost hlavní výztuže od povrchu betonu vystavenému požáru. Pokud je 'a' ≥ 70 mm, požaduje se provést výztužnou síť z ocelových prutů o průměru nejméně 4 mm v roztečích nejvýše 100 mm v obou směrech.

Ocelové konstrukce a EUROKÓDY

Ocelové konstrukce se navrhují podle ČSN EN 1993-1-1. Redukční součinitel úrovně zatížení při požáru (ηfi) a kritérium R - nosnost může být ověřeno prostřednictvím času dosažení kritické teploty oceli. Při hodnocení požární odolnosti ocelových prvků lze s využitím čl. a) 500 °C u sloupů, nosníků, průvlaků, vazníků apod. Uvedeny jsou hodnoty nejvyššího přípustného stupně využití průřezu μ0 pro požární odolnost nechráněných ocelových nosníků vystavených nominální normové teplotní křivce po dobu 15 min a 30 min. Hodnoty požární odolnosti spřažených konstrukcí uvedené v tabulkách jsou výtahem tabulek uvedených v ČSN EN 1994-1-2.

Databáze klasifikací požárních vlastností PAVUS, a.s.

Databázový systém provozuje PAVUS, a.s., na svých internetových stránkách www.pavus.cz v tzv. kategorii „Klasifikace“. Jedná se o informace o dokumentech vystavených pro klasifikaci výrobků z hlediska požárních vlastností. Požární klasifikace výrobků v souladu s evropskými technickými normami je základním předpokladem volného pohybu výrobků a jejich uvádění na trh. V evidenci databázové aplikace byly pro jednotlivé sledované výrobky, které příslušné protokoly popisují a zatřiďují, vytvořeny reprezentační typy výrobků s přihlédnutím ke klasifikační a zkušební normě. Aktuálně jsou v systému u kategorie dokumentů „Klasifikace podle ČSN EN 13501“ evidovány následující stavební výrobky.

Parametry požární odolnosti v projektu

Při návrhu betonových konstrukcí je nezbytné zohlednit parametry požární odolnosti. Pro prvek typu sloup je doporučeno použít typ výpočtu "Zónová metoda". Výběr, jakým způsobem je prvek vystaven účinkům požáru (exponovaný ze všech stran, částečně zakrytý apod.), probíhá v okně "Požární detail".

Zde je příklad tabulky pro výkon požáru u podzemních staveb:

tags: #vliv #požáru #na #beton

Oblíbené příspěvky:

• Více o izolačních vlastnostech pryže
• Sádrokarton nebo Ytong? Analýza nákladů a montáže
• Kvalitní fasádní barvy Teluria
• průvodce výběrem dopravníku na beton
• Průvodce použitím OSB desek pro parozábranu