Diagnostika, skúšky, modelovanie a statická analýza aktuálneho stavu nosnej oceľovej konštrukcie poškodenej účinkami požiaru

Základným predpokladom realistického statického zhodnotenia stavebného objektu poškodeného požiarom je poznanie aktuálneho stavu fyzikálnych vlastností materiálov jednotlivých prvkov konštrukcie a ich vzájomného statického pôsobenia v nosnom systéme. Uvedené aktuálne parametre je potrebné implementovať do teoretického výpočtového modelu, aby bolo možné dosiahnuť optimálnu zhodu medzi reálnym správaním konštrukcie a teoretickou odozvou získanou na základe statického výpočtového modelu.

Prezentovaná je aj štúdia odolnosti nosnej oceľovej konštrukcie pri požiari za účelom simulácie teplotného účinku požiaru. Podľa STN EN 1993-1-2 [5] bola posúdená odolnosť konštrukcie a bol určený čas pri ktorom konštrukcia stratila svoju odolnosť.

MECHANICKÉ A KREHKOLOMOVÉ VLASTNOSTI VYŠETROVANÝCH OCELÍ
Najdôležitejšou materiálovou charakteristikou ocelí odolných proti požiaru je teplotná závislosť medze klzu, resp. medze pevnosti. V norme [5] sú uvedené minimálne hodnoty jednotlivých redukčných faktorov [kap. 6 – rovnice (2), (3), (4)], ktoré charakterizujú pomer danej veličiny pri sledovanej teplote vzhľadom k hodnote tejto veličiny pri laboratórnej teplote.

Krehkolomové charakteristiky sú overované skúškou vrubovej húževnatosti, to znamená rázom v ohybe na skúšobných tyčiach s V-vrubom. Pri skúške sa zdôrazňuje vplyv rázového zaťaženia a koncentrácie napätí okolo vrubu ako aj spôsob porušenia.

AKTUÁLNY STAV NOSNEJ OCEĽOVEJ KONŠTRUKCIE PO POŽIARI
Predmetný halový objekt bol postavený a daný do užívania v roku 1965, obr. 1. Nosný systém haly tvoria oceľové stĺpy zo zváraných profilov I-1 100 s priečnymi výstuhami, situované po jednej strane obvodovej roviny objektu a železobetónové stĺpy osadené na druhej strane objektu. Nosnú konštrukciu zastrešenia tvorí oceľový priehradový väzník. Hlavný nosník žeriavovej dráhy je vytvorený z oceľového zváraného prierezu I-1 200, [1].

Diagnostika oceľovej konštrukcie
Predmetom diagnostiky, prieskumu a statického posudku bolo:

• zistenie aktuálneho technického stavu a posúdenie odolnosti tvoriacich prvkov nosnej oceľovej konštrukcie objektu po požiari;
• diagnostikovanie miery poškodenia a návrh takých opatrení, ktoré umožnia bezpečné a spoľahlivé užívanie objektu.

Experimentálne vyšetrovanie „in situ“ a „in labo“
S cieľom stanoviť mieru poškodenia nosnej oceľovej konštrukcie stavebného objektu po požiari boli realizované nasledovné nedeštruktívne vyšetrovania „in situ“ a deštruktívne skúšky „in situ“ a „in labo“:

• zisťovanie aktuálnych mechanických vlastností materiálu nosnej oceľovej konštrukcie stavebného objektu, pričomboli odobraté vzorky z vybraných prvkov oceľovej konštrukcie (zo stĺpov, strešných väzníkov a stužidiel, nosníkov žeriavovej dráhy);
• magnetodefektoskopická kontrola zvarov;
• meranie hrúbok tvoriacich častí prierezov vybraných prvkov oceľovej konštrukcie;
• geodetické meranie tvaru zdeformovaných oceľových strešných priehradových väzníkov a ich priehybov ako aj meranie vyosenia koľajnice žeriavovej dráhy.

V článku sú prezentované niektoré vybrané výsledky z komplexnej analýzy mechanických vlastností materiálov prvkov nosnej oceľovej konštrukcie vystavenej účinkom teploty pri požiari.

Odobraté vzorky ocele boli následne skúšané v akreditovaných skúšobniach a laboratóriach. Pre porovnanie aktuálnych mechanických vlastností materiálov oceľovej konštrukcie zasiahnutej a nezasiahnutej požiarom boli vzorky odobraté:

• z oblasti priamo zasiahnutej požiarom (v ohnisku) – medzi osami 15–16;
• z oblasti nepriamo zasiahnutej požiarom (v blízkosti ohniska) – medzi osami 13–14–15;
• z oblasti nezasiahnutej požiarom (mimo ohniska) – medzi osami 1 až 13.

Na vzorkách boli vykonané:

• statická skúška ťahom s určením medze klzu f_y, medze pevnosti f_u, ťažnosti A₅ a kontrakcie Z;
• stanovenie modulu pružnosti v ťahu E (na vybraných vzorkách);
• skúška vrubovej húževnatosti (Charpy V na vybraných vzorkách).

Celkove bolo odskúšaných 49 skúšobných telies, pričom každú oblasť reprezentovali minimálne 3 vzorky materiálu. Statická skúška v ťahu bola realizovaná normovaným spôsobom na trhacom stroji ZWICK 1387 – Hegewald & Peschke, Meß- und Prüftechnik GmbH (inspekt retrofit), Nossen. Na meranie modulu pružnosti E bol použitý špeciálny snímač deformácie ZWICK 7852 s vysokou presnosťou. Riadenie a vyhodnocovanie skúšok bolo realizované pomocou softvéru Labmaster, ktorý numericky a graficky vyhodnocuje všetky relevantné veličiny, ktorými sú hodnota medze klzu f_y0,2, hornej medze klzu f_yH, dolnej medze klzu f_yL a hodnota medze pevnosti f_u, obr. 2.

Charakter lomov jednotlivých skúšobných telies odpovedal ich stanoveným mechanickým vlastnostiam, pričom neboli zaznamenané žiadne anomálie. Ťahové diagramy odpovedajú vlastnostiam nespevnenej nízkouhlíkovej konštrukčnej oceli používanej na zvárané konštrukcie.

Skúšobné telesá na skúšku vrubovej húževnatosti s vrubom V (Charpy V, hl. 2 mm) boli odobraté a vyrobené v rovnakom smere ako telesá na skúšku v ťahu. Skúška vrubovej húževnatosti bola realizovaná pri teplote okolia cca 20 °C na kyvadlovom kladive PS 30.

VÝSLEDKY ZÍSKANÉ OBHLIADKOU, DIAGNOSTIKOU A PRIESKUMOM
Na základe obhliadky nosnej oceľovej konštrukcie haly je možné konštatovať niektoré nasledujúce skutočnosti:

• diagnostikou a prieskumom boli zistené plastické deformácie horných pásov väzníkov v osi 15 a 16 a ich priestorové vybočenie – posuny v horizontálnom smere, obr. 3;
• v spodných pásoch väzníkov v osiach 15 a 16 sú lokálne plastické deformácie prierezov pri podperách (pri oceľových stĺpoch);
• na stĺpe v osi 16 je zdeformovaná vydutá stena medzi výstuhami;
• hlavný nosník žeriavovej dráhy nie je zdeformovaný (odklonenie priamosti osi koľajníc, ktoré boli získané meraním je kompenzované pomocou rektifikácie);
• vertikálne pozdĺžne stužidlá (medzi väzníkmi v osiach 15–16) sú zdeformované;
• krajné horizontálne stužidlá v strešnej rovine nie sú zdeformované.

Na základe vykonaných skúšok na odobraných vzorkách (skúška ťahom, skúška rázom v ohybe), kontroly zvarov, merania hrúbok prierezov tvoriacich prvkov a geodetických meraní je možné konštatovať niektoré nasledujúce skutočnosti:

• výsledky ťahových skúšok vzoriek materiálu (ocele) odobratých zo stĺpov v mieste požiaru (v osi 15 a 16), v miestach v blízkosti požiaru (v osi 13 a 14) a v miestach vzdialených od požiaru (v osi 6) nepreukázali zmeny v mechanických vlastnostiach ocele;
• výsledky ťahových skúšok vzoriek ocele odobratých zo strešných horizontálnych stužidiel v mieste požiaru (medzi osami 16–15), v miestach v blízkosti požiaru (medzi osami 14–15) vykazujú v priemere do 10 % pokles mechanických vlastností ocele v porovnaní s vlastnosťami vzoriek v miestach vzdialených od požiaru (medzi osami 7–8);
• výsledky ťahových skúšok vzoriek ocele odobratých z priečnych výstuh nosníka žeriavovej dráhy v mieste požiaru (medzi osami 15–16) vykazujú v priemere do 10 % pokles mechanických vlastností ocele v porovnaní s vlastnosťami vzoriek v miestach vzdialených od požiaru (medzi osami 10–11 a 11–12);
• výsledky skúšok vrubovej húževnatosti vzoriek ocele odobratých zo stĺpa v mieste požiaru (os 16) nepreukázali pokles húževnatosti;
• výsledky skúšok vrubovej húževnatosti vzorky ocele odobratej zo strešného horizontálneho stužidla v mieste požiaru (medzi osami 15–16) nepreukázali pokles húževnatosti;
• magnetodefektoskopická kontrola zvarov dolného a horného pásu väzníka v osi 15 a 16, na stĺpe v osi 16 a nosníka žeriavovej dráhy medzi osami 15–16 potvrdila, že zvary neboli porušené;
• meraním hrúbok kovov vybraných prierezov prvkov neboli zistené výrazné odchýlky od hodnôt uvedených v projektovej dokumentácii;
• priebežné geodetické merania vybraných bodov horných a dolných pásov priehradových strešných väzníkov v osiach 15 a 16 ukázali na progresívny nárast posunov (deformácií) v horizontálnom priečnom smere v priebehu štyroch dní, to znamená v mieste horného zdeformovanéhopásu (väzník v osi 16) predstavoval prírastok horizontálneho posunu cca 35 mm a v strede rozpätia dolného pásu väzníka v osi 15 predstavoval prírastok horizontálneho posunu cca 70 mm;
• hlavný nosník žeriavovej dráhy nie je zdeformovaný (odklonenie priamosti osi koľajníc, ktoré boli získané meraním bolo kompenzované pomocou rektifikácie).

Celý článek naleznete ve formátu PDF ZDE.

Autoři

• Prof. Ing. Kmeť Stanislav
• Doc.Ing. Tomko Michal Ph.D.
• Ing. Demjan Ivo Ph.D.