Beton je klasifikován jako nehořlavý stavební materiál, nicméně při působení vysokých teplot výrazně mění své vlastnosti a dochází až k jeho destrukci. Každá stavební konstrukce by měla být navržena s ohledem na bezpečnost použití tak, aby po určitou dobu zabránila šíření požáru a byla schopna odolávat vysokým teplotám, které během požáru vznikají.
Požární odolnost stavebních konstrukcí
Požární odolnost stavebních konstrukcí dle ČSN 730821 ED.2 Požární bezpečnost staveb - Požární odolnost stavebních konstrukcí je doba, po kterou jsou konstrukce schopny odolávat účinkům plamene a vysokým teplotám. Součástí bezpečnosti každého objektu je mít takovou stavební konstrukci, která by určitou dobu zabránila šíření požáru a byla schopna odolávat tak vysokým teplotám, které při požáru vznikají, a nedošlo k porušení funkce stavební konstrukce. Při řešení požární bezpečnosti staveb je třeba znát hodnoty požární odolnosti stavebních výrobků a konstrukcí a navrhovat konstrukce, které požadované hodnoty požární odolnosti splní. Ověřování požární odolnosti se provádí zkouškou nebo na základě výpočtu, extrapolace i porovnávání dle zkušebních norem a předpisů. Uvádí se v minutách v základní hodnotové stupnici: 1 S, 30, 45, 60, 90, 120 a 180 minut.
Vliv vysokých teplot na beton
Vlivem působení vysokých teplot dochází u betonových konstrukcí ke změnám fyzikálně-mechanických vlastností a k rozkladu hydratačních produktů, změnám podléhá i kamenivo a rozptýlená výztuž. Nejprve dochází k odpařování fyzikálně vázané vody a vlhkosti v pórech při teplotách okolo 100 °C. 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 povrch betonu porušen mikrotrhlinami na ohřívaném povrchu. Prudká expanze páry způsobuje i odprýsknutí horní vrstvy betonu a dochází ke snížení pevnosti 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 a při teplotě 930 °C probíhá rozklad CaCO3. Rozsah těchto změn má vliv na výsledné vlastnosti materiálu.
Kvalitní betony jsou většinou více náchylné k povrchovému odprýskávání v případě jejich vystavení vysoké teplotě vzniklé při požáru. 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. U křivek RWS nebo HC, určených pro zkoušení extrémního průběhu požáru, je nejdůležitější náběh teplot v prvních třech minutách po vzniku požáru, kdy dochází k inicializaci explozivního odprýskávání betonu. Výkon požáru u podzemních staveb je zcela výjimečný a tyto výkony mají zásadní vliv na redistribuci teplotního zatížení ve stěně nebo stropě a zásadní měrou se tato distribuce teplot podílí na degradaci betonové konstrukce a následně i ocelové výztuže. Zvláště odhalení ocelové výztuže má při požáru zásadní význam, neboť ohřátím výztuže na vysokou teplotu začíná její postupná degradace a ztráta základních mechanických vlastností a pevnosti oceli.
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. Takovou rozsáhlou deformací může dojít i k zhroucení celé budovy. Z reálných příkladů je zřejmé, že požárem deformovaná ocelová konstrukce se může zřítit i během 15 minut. 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. Beton totiž velmi zpomalí ohřívání oceli. U rakouské Richtlinie je pro zvýšení odolnosti betonové konstrukce proti požáru definována tabulka maximálních penetračních teplot v průřezu konstrukce tak, aby byla zabezpečena ochrana ocelové výztuže a její plná funkčnost i po případném požáru a ohřátí konstrukce. Do teplot okolo 400 °C se definuje oblast beze změn pevnosti a charakteristiky oceli. U teplot od 450 °C do 600 - 650 °C se začínají projevovat spouštěcí efekty změn, hlavně zvyšující se duktilita a tažnost oceli.
Čtěte také: Parametry požární odolnosti
Chování dřeva při požáru
Dřevo je stále více využívaným materiálem pro realizaci nosných konstrukcí hospodářských a průmyslových objektů, ale i v bytové výstavbě. Panuje zde ale určitá skepse z nedůvěry k jeho požární odolnosti. Přestože je dřevo hořlavým materiálem, vykazuje při požáru lepší vlastnosti než ocel. Hořlavost dřeva závisí na poměru povrch / objem. Čím větší je tento poměr, tím rychleji se šíří plameny při požáru. Ostré hrany, drsný povrch, praskliny, trhliny tento poměr zvětšují. Nárůst teploty způsobuje snížení pevnosti dřeva a naopak narůstá, pokud je ochlazováno. Při teplotách pod 100 °C je dřevo schopné se vrátit po rychlém ochlazení k původním vlastnostem.
Zděné konstrukce a požár
Pálené cihly se vyrábějí při teplotách několika tisíc stupňů, takže se při požáru chovají lépe než zdící přírodní materiály. Zděné konstrukce se navrhují podle ČSN EN 1996-1-1. Z hlediska geometrických požadavků rozděluje norma zdicí prvky do 4 skupin: pórobetonové tvárnice a prvky z umělého kamene jsou zařazeny do skupiny 1, ostatní 3 druhy jsou zařazeny do skupin podle geometrických požadavků uvedených v tabulce 3.1 ČSN EN 1996-1-1. Navrhování zděných konstrukcí na účinky požáru stanoví ČSN EN 1996-1-2.
Možnosti zvýšení požární odolnosti betonu
Ochrana betonových konstrukcí proti působení požáru, zabránění explozivního odprýskávání pomocí přídavku polypropylenových vláken do betonu byla známá již před známými požáry tunelů, jež měly tragické následky, a tyto události pouze odstartovaly podrobné vyzkoušení této technologie a její zavedení do praxe. 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. 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. Využití recyklovaného EPS v izolačních a obalových aplikacích snižuje množství odpadu a podporuje udržitelné stavby, které splňují nejen požární, ale i environmentální požadavky.
Metody protipožární ochrany ocelových konstrukcí
- Nástřiky: Mají proti obezdívkám relativně malou hmotnost.
- Intumescentní nátěry: Patří mezi nejužívanější. Při teplotách cca 150 až 200 °C chemicky reagují a díky přítomnosti nadouvadel vytvoří v nátěru tepelně izolační vrstvu.
- Obklady deskovými materiály, podhledy: Široká řada deskových materiálů je vhodná pro obklad ocelových konstrukcí (například sádrokartonové, třískocementové, vermikulitové, vápenosilikátové).
Sanace betonových konstrukcí po požáru
Příspěvek se zabývá sanací betonové podlahy porušené při požáru průmyslové haly. Je popsán 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.
Případová studie: Sanace průmyslové podlahy po požáru
Na přelomu let 2013-2014 proběhla rekonstrukce části průmyslové haly určené ke galvanování železných výrobků. Byla zde provedena nová průmyslová podlaha v tloušťce 180 mm s využitím betonu třídy C 25/30 vyztuženého ocelovými drátky v dávce 25 kg/m3 betonu. Povrchová úprava byla provedena zahlazením minerálního vsypu strojními hladičkami. Výše uvedený objekt byl po 4 měsících od realizované rekonstrukce zasažen požárem. Požár byl ohlášen na Hasičský záchranný sbor zhruba za hodinu od vznícení a hašení proběhlo již za 5 minut od ohlášení. Zhruba hodinu a půl po začátku hasebního zásahu se zdálo, že požár je zcela uhašen a požářiště nevykazovalo známky nebezpečí. Krátce na to však došlo k nečekanému vznícení nahromaděných horkých plynů ve stropních prostorách budovy. Takzvaný backdraft, neboli explozivní hoření, pravděpodobně iniciovalo odvětrávání prostoru, při kterém se horké plyny okysličily a vzňaly. Jedná se o podobný efekt, jako když je do ohně nalitý benzín. Následně začala hořet celá konstrukce střechy a velmi rychle došlo k zasažení téměř celého objektu průmyslové haly.
Čtěte také: Vše o požární odolnosti OSB desek
Stavebně technický průzkum a diagnostika
Po uhašení požáru bylo provedeno statické prozkoumání, kdy bylo zjištěno, že okolní části objektu nejsou narušeny. Během odstraňování trosek bylo zjištěno, že povrch nové betonové podlahy v části „expedice“ je sice místy odprýskaný, ale jinak neporušený např. „divokými“ prasklinami, což naznačovalo, že povrch nebyl dlouhodobě vystaven vysokým teplotám díky rychlému zásahu hasičských jednotek. Ve výrobní části však musely být teploty mnohem vyšší, protože byla zaznamenána fragmentace betonové desky a odprýskání horní vrstvy betonu bylo mnohem větší, až do hloubky cca 50 mm. Pro navržení vhodného sanačního zásahu bylo nutné provedení stavebně technického průzkumu pro posouzení stavu betonové podlahy. Provedený průzkum mohl objasnit, zda by pro obnovu použitelnosti nepostačovalo pouze odfrézování několika milimetrů z tloušťky desky s následným vytvořením nové povrchové úpravy. Při výraznějším narušení povrchových partií by bylo nutné kompletní obnovení betonové podlahy po předchozím vybourání.
Rekonstrukce průmyslové haly byla provedena jen několik měsíců před požárem, byly tedy známy detailní informace o složení a tloušťce betonové podlahy. Při zhodnocení využití rekonstruované haly však vyplynulo, že vlivem montáže nové technologie v části výroby bude navýšeno užitné zatížení podlahy oproti původnímu stavu. Proto bylo statikem rozhodnuto, že se tato část (cca 550 m2), která byla nejvíce narušena požárem, kompletně vyjme a nahradí zcela novou betonovou deskou navrženou dle nového stavu užívání. Po dešti bylo zjištěno, že nedochází k odtoku srážkové vody a celá zkoumaná plocha se nachází pod vodou. Z tohoto důvodu bylo prozkoumáno odtokové potrubí a byly zde identifikovány jeho výrazné deformace, což svědčí o intenzivním působení vysokých teplot.
Poté co odtekla dešťová voda, byly započaty práce na samotném stavebně technickém průzkumu. Na nejvíce narušených místech byly vyříznuty trámečky do hloubky cca 50 mm k provedení laboratorních analýz. Byla stanovena pevnost v tahu povrchových vrstev betonu podle ČSN 731318 Stanovení pevnosti betonu v tahu. Rentgenová difrakční analýza je metoda sloužící pro identifikaci krystalických látek ve vzorku. Její princip je založen na detekci odraženého RTG záření vznikajícího interferencí na krystalické mřížce látky, která je charakterizována vzdáleností atomů v mřížce. Z testů provedených na 3 vzorcích odebraných z místa měření vyplynulo, že v hloubce 20 mm již vzorky odpovídaly svým mineralogickým složením klasickému betonu, z toho lze vyčíst, že povrch byl vystaven vysokým teplotám, ale ne po delší časový interval.
Sanační práce
Dle předchozího stavebně technického průzkumu bylo rozhodnuto, že se celoplošně odfrézuje 20 mm vrstva narušeného betonu pomocí silniční frézy, s tím že lokálně bude sanace provedena hlouběji dle potřeby a stavu betonu. Následně bylo vybráno, že novou finální vrstvu bude tvořit epoxidová stěrka s posypem křemičitým pískem v odstínu RAL 7001. Před započetím prací byly opětovně ověřeny parametry ofrézovaného podkladu pomocí odtrhových zkoušek. Následně započaly práce na nové finální povrchové úpravě. Nejprve byla provedena reprofilace řezaných dilatačních spár, u nichž muselo být provedeno hloubkové vyfrézování, protože byly zašpiněny vlivem spálení původního krycího PVC provazce. Dále byla provedena dvojitá penetrace odfrézované vrstvy s přesypem křemičitým pískem, na tu byla následně provedena vyrovnávací vrstva z plastbetonu. Plastbeton byl použitý i na nájezdy do přilehlých prostor. Po zatvrdnutí byly opětovně proříznuty dilatační spáry, které byly následně přetmeleny polyuretanovým tmelem. Provedená sanace byla úspěšná a hala je v současné době užívána pro provoz galvanovny.
Na základě výše uvedeného lze konstatovat, že využití komplexu fyzikálně-mechanických a chemických metod při diagnostice konstrukcí zasažených nahodilým tepelným šokem je jedním z nezbytných kroků pro adekvátní sanační zásah. V současné době, kdy se neustále rozvíjí vědní disciplíny včetně studia stavebních materiálů, je vhodné zvážit výhodu jejich zařazení pro diagnostické účely narušených konstrukcí. Konkrétně lze poukázat na výhodu využití rentgenového tomografu. Rentgenovým tomografem je možné vidět trojrozměrnou vnitřní strukturu daného materiálu.
Čtěte také: OSB desky a požární bezpečnost
Požární odolnost betonových konstrukcí 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. Při návrhu sloupu je třeba dodržet podmínky uvedené v čl. Hodnoty šířky sloupu b a osové vzdálenosti výztuže a, uvedené v tabulce 2.1, jsou omezeny, podle čl. Osovou vzdálenost výztuže od bočního líce nosníků asd pro rohové výztužné pruty (nebo předpínací pruty, dráty či lana) se požaduje zvýšit pouze u nosníků s jednou vrstvou výztuže podle vztahu: asd = a + 10 mm. Při návrhu desky je třeba dodržet podmínky uvedené v čl. Ly a Lx jsou rozpětí desky s výztuží ve dvou vzájemně kolmých směrech, kde Ly je větší rozpětí. Osovou vzdálenost a se vztahuje pro spodní vrstvy výztuže od spodního povrchu. Hodnoty pro desky s výztuží ve dvou směrech (křížem vyztužené desky) platí za předpokladu podepření desek po celém obvodě. V ostatních případech se doporučuje použít hodnot pro desky s výztuží v jednom směru. U stojících nosníků se musí dodržet konstrukční zásady a nejvýše 15% redistribuce.
Ocelové konstrukce a EUROKÓDY
Ocelové konstrukce se navrhují podle ČSN EN 1993-1-1. Redukční součinitel úrovně zatížení při požáru je ηfi. Podle čl. 4.2.4 ČSN EN 1993-1-2 může být kritérium R - nosnost 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. V kap. 3.2 jsou uvedeny hodnoty nejvyššího přípustného stupně využití průřezu μ0 pro požární odolnost nechráněných ocelových nosníků vystavených nominální normové teplotní křivce po doby 15 min a 30 min pro součinitele nerovnoměrného ohřátí prvků κ1 a κ2. Hodnota součinitele podmínek působení κ1 se pro nerovnoměrné rozdělení teploty po průřezu uvažuje pro nosník, který je vystaven požáru ze všech čtyř stran κ1 = 1,0. Pro nechráněný nosník, který je vystaven požáru ze tří stran, se uvažuje κ1 = 0,70. V kap. 3.3 jsou uvedeny hodnoty požární odolnosti nechráněných stropů z nosných ocelových profilovaných plechů vyplněných betonem - bez spřažení (hodnoty pro spřažené ocelobetonové desky jsou uvedeny v kap.). Nosné ocelové profilované plechy jsou navrženy podle ČSN EN 1993-1-1. Hodnoty požární odolnosti spřažených konstrukcí uvedené v tabulkách jsou výtahem tabulek uvedených v ČSN EN 1994-1-2. Spřažené sloupy jsou uvedené v kap. 4.1.1 až 4.1.4; spřažené nosníky jsou uvedené v kap. 5.1 a kap. 5.2. Hloubka zuhelnatění dřeva je vzdálenost mezi vnějším povrchem původního prvku a polohou čáry zuhelnatění. Tabulky jsou zpracovány pro nosníky vystavené požáru ze tří stran (stropy), ze čtyř stran (krovy) a sloupy vystavené požáru ze čtyř stran. Délky sloupů odpovídají jejich použití v budovách i halách. Jako materiál nosníků a sloupů je uvažováno dřevo jehličnatých i listnatých dřevin a lepené lamelové dřevo jehličnatých dřevin. Povrchy nosníků a sloupů nejsou po dobu vystavení účinkům požáru chráněny plášti požární ochrany.
V prvotních počátcích zkoušek ochrany betonových konstrukcí před účinky vysoké teploty (požáru) se v České republice vycházelo ze zkušeností, které byly získány při prvotním zavádění a zkoušení této technologie v Rakousku. Zde byly také provedeny první zkoušky těles pro praktická použití a pro první zkoušky českých betonů byla převzata metodika zkoušení podle Richtlinie FASERBETON. U těchto vzorků bylo velkou výhodou jejich možné jednoduché přemísťování a uložení na zkušební stav, neboli pec, jako strop. Jejich výsledky byly velmi přesvědčivé, ale projevovala se i jejich náchylnost k většímu poškození na okrajích zkušebního tělesa. Pro stanovení prvotních výsledků to však byla tělesa zcela vhodně zvolená a potvrdila veškeré předpoklady kladené pro tuto možnost ochrany betonu před účinky vysoké teploty. Také se zde potvrdila požadovaná distribuce teploty v průřezu zkušebního vzorku, což pak potvrdily i zkoušky na velkých zkušebních tělesech. Další etapou byly zkoušky na velkých zkušebních tělesech dle Richtlinie (zvýšená odolnost betonů vůči vysoké teplotě), které již představovaly poměrně složitější přípravu tělesa včetně jeho předepnutí. Tyto testy pouze potvrdily stávající předpoklady a použily se pro zavedení této technologie pro připravované tunely. Změnou velikosti vzorku a použitím ochranného rámu formy se dosáhlo kvalitnějších výsledků a samostatné výsledky bylo možné přímo porovnávat s testy prováděnými v té době paralelně v Rakousku a Německu. Základním rozdílem byl pouze povrch zkoušených vzorků, který je ovlivněn použitým kamenivem. Dalším krokem ve zkoušení těles bylo zavedení zkoušek, při nichž zkušební tělesa nejsou umístěna jako strop pece, ale tvoří její stěnu. Tyto provedené zkoušky ukázaly rozdíl v povrchu zkoušeného vzorku, ale explozivní odprýskávání bylo u prostých betonů zcela stejné jako v případě vzorků umístěných jako strop. Betony s polypropylenovým vláknem prošly několika testy a zcela vyhověly požadavků kladeným na tuto technologii. Výsledky penetračních teplot byly zcela podobné u všech zkoušených těles a zcela splnily požadavky na ochranu kovové výztuže před účinkem vysoké teploty. Veškeré testy byly použity u tunelů prováděných v současné době, kde byl požadavek zvýšené odolnosti betonů. Toto období je možné zařadit do roku 2006 až 2008, kdy byly uskutečněny jednotlivé změny ve zkušebních tělesech a jejich vzájemné porovnání.
Databázový systém provozuje PAVUS, a.s., na svých internetových stránkách www.pavus.cz v tzv. kategorii „Klasifikace“. Požární klasifikace výrobků v souladu s evropskými technickými normami je základním předpokladem volného pohybu výrobků a jejich uvádění na trh.
tags: #požární #bezpečnost #betonu #informace