Dřevěné konstrukce. Limity požární odolnosti. Metody výpočtu

Ve stavebnictví se používají obvodové a nosné konstrukce vyrobené ze dřeva a dřevěných materiálů.

Spojení dřevěných konstrukcí se provádí pomocí hřebíků, šroubů, samořezných šroubů, nehtových desek, svorek, řezání bez pomoci speciálních zařízení. Nejspolehlivější je hmoždinkový spoj pomocí šroubů (hmoždinek), zářez.

Hranice požární odolnosti dílců dřevěných konstrukcí je dána nejen únosností hmoždinkových spojů, ale také únosností dřevěných a ocelových spojovacích prvků (obložení, botek apod.). Pod ocelovými spojovacími díly (desky, botky) připevněnými hmoždinkami k dřevěným konstrukčním prvkům dochází k intenzivnějšímu zuhelnatění dřeva, což snižuje požární odolnost hmoždinkových spojů zkrácením pracovní délky hmoždinky.

Dřevěné laminované konstrukce jsou široce používány: nosníky, vazníky, panely atd.

Lepené lamelové nosníky (LVL) jsou vyrobeny z vrstev loupané dýhy tloušťky po frézování 33 a 42 mm s poměrem výšky k šířce průřezu h/b=6-8. V poslední době se ve stavební praxi používají vyztužené lamelové nosníky. V tlačených a tahových zónách těchto nosníků je do předem vyfrézovaných otvorů vlepena ocelová výztuž periodického profilu třídy A-II, A-III. Vyztužení nosníků umožňuje zvýšit jejich nosnost a tuhost během provozu.

Lepené nosníky z překližky mají oproti prkenným nosníkům racionálnější rozložení materiálu po průřezu. Pásy v takových trámech jsou vyrobeny z desek a stěny jsou vyrobeny z OSB (orientované třískové desky) o tloušťce nejméně 20 mm. Průřez lepených překližkových nosníků může být krabicový nebo I nosník. Aby se zabránilo ztrátě stability ploché překližkové stěny od její roviny, je stěna vyztužena výztuhami z desek.

Důvodem zřícení dřevěných konstrukčních prvků při požáru je zuhelnatění části úseku. Zatížení působící na dřevěný prvek nebo konstrukci je vnímáno nezuhelnatělou částí průřezu, jejíž zmenšení při požáru pomáhá snížit nosnost prvku. Požární zkoušky ukázaly, že ohybatelné dřevěné prvky nebo konstrukce, které zahrnují nosníky, mohou selhat nejen v úseku, kde působí maximální normálová ohybová napětí, ale také v jejich podpěrných zónách, kde jsou pozorována maximální smyková napětí.

To je vysvětleno skutečností, že pevnost dřeva při působení tangenciálních napětí, které přispívají k jeho odštěpování podél vláken, a také pevnost lepeného spoje za podmínek vystavení teplotám během požáru, klesá rychleji než ohyb pevnost dřeva.

Výsledky požárních zkoušek provedených v TsNIISK im. Kucherenko, ukázal, že mez požární odolnosti lepených nosníků o rozměrech průřezu 200×200 mm, 130×200 mm, 130×400 mm, při působení soustředěného zatížení umístěného v 1/3 rozpětí konstrukce, byla 27-28 minut. Při poměru rozměrů průřezu h/b>6 při požáru lze pozorovat ztrátu plochého tvaru stability nosníku.

Nosnost vyztužených nosníků v případě požáru je menší než u nevyztužených nosníků. To se vysvětluje nízkou tepelnou odolností epoxidových lepidel při zahřátí na teplotu 80-100C. S přihlédnutím k ochranné vrstvě dřeva o tloušťce 20-40 mm dochází k ohřevu lepeného spoje u vyztužených nosníků na kritickou teplotu 20-25 minut po začátku „standardního požáru“. Z uvažovaných konstrukčních řešení nosníků jsou požárně nejnebezpečnější lepené překližkové nosníky, což je vysvětleno malými rozměry průřezu jejich prvků. Zhroucení lepidlem-překližkových nosníků při požáru může nastat v důsledku vyčerpání nosnosti nataženého spodního pásu, protržení lepícího švu připevňujícího dřevěný pás k překližkové stěně, jakož i porušení překližky konstrukce stěny. Přítomnost dutin ve skříňových trámech přispívá k šíření požáru po celé konstrukci.

Při stanovení meze požární odolnosti nosníků z podmínky pevnosti při normálním namáhání je nutné vzít v úvahu, že nosník s proměnnou výškou po své délce, na rozdíl od nosníku s proměnnou výškou, úsek, kde je max. normálová napětí z ohybového působení se neshodují s úsekem, ve kterém je uvažován vliv maximálního momentu. Takže u štítového kloubového nosníku, který přijímá rovnoměrně rozložené zatížení, jsou sekce s maximálními normálovými napětími umístěny od podpěr ve vzdálenosti x=lh o /2h.

Nosníkové plošné průchozí konstrukce zahrnují různé typy vazníků. Výhodou vazníků oproti nosníkům je nejracionálnější rozložení materiálu v podobě pasiv a příhradových prvků, což napomáhá snižovat spotřebu materiálu těchto konstrukcí. Velký počet jednotek a v souvislosti s tím přítomnost přísných požadavků na přesnost výroby vazníků však zvyšuje pracnost jejich výroby. Dřevěné vazníky se používají pro krytí rozponů od 9 do 40 m Ve většině případů se používají vazníky kovo-dřevěné, u kterých jsou stlačené příhradové prvky a horní pasce z lepeného nebo masivního dřeva a tažené příhradové prvky a spodní. pásnice jsou vyrobeny z profilové nebo kruhové oceli.

Lepené rámy v budovách pro různé účely pokrývají rozpony od 12 do 30 m Ve stavebnictví se používají rámy dvoukloubové a tříkloubové. Mezi různými typy rámů s dvojitým kloubem jsou nejběžnější rámy s regály pevně připevněnými k základně. Výška stojanů takových rámů může přesáhnout 4 m.

Ohýbané lamelové rámy jsou vyráběny z desek tloušťky 16-25 mm po frézování s poloměrem ohybu 2-4 m a výškou sloupku do 3,5, což zajišťuje podmínky pro přepravu dopravou. Při stavbě krytého sportovního paláce pro 58 míst v Tveru byly použity ohýbané lamelové rámy o rozpětí 4000 m. Limit požární odolnosti oblouků a rámů je vyšší než u vazníků, což je vysvětleno silnějšími sekcemi jejich prvků. K vyčerpání únosnosti těchto konstrukcí při požáru může dojít jednak ztrátou pevnosti lepených prvků v úsecích, kde působí maximální ohybový moment, jednak ztrátou stability plochého tvaru průřezu. v důsledku zhroucení vazeb nebo prvků oplocení, které fungují jako vazby. Navíc, jak ukazuje požár v budově atletické arény „Pracovní zálohy“ v Minsku, může dojít k selhání oblouků a rámů v důsledku ztráty únosnosti jednotek. V podmínkách požáru jsou nebezpečnější oblouky, ve kterých je tah absorbován ocelovým táhlem, který má nízkou mez požární odolnosti.

Při posuzování mezí požární odolnosti oblouků a rámů je nutné vzít v úvahu, že tyto dřevěné konstrukce pracují v podmínkách komplexní odolnosti od kombinovaného působení normálové tlakové síly a ohybového momentu. V obloucích vzniká maximální moment ve 1/4 rozpětí konstrukce, a to z kombinovaného působení konstantního zatížení na celé rozpětí (vlastní tíha oblouku a hmotnost obklopujících konstrukcí) a zatížení sněhem umístěné na polovině nebo části rozpětí je pozorován maximální moment v rámech v oblasti jejich říms při kombinovaném působení konstantních a sněhových zatížení po celém rozpětí konstrukce.

Faktory určující požární odolnost dřevěných konstrukcí. Modelky.

V podmínkách požáru je pokles únosnosti dřevěných konstrukcí dán snížením únosnosti jejich dřevěných prvků a spojů těchto prvků. Ke snížení únosnosti dřevěných konstrukčních prvků dochází v důsledku zuhelnatění dřeva, což vede ke zmenšení velikosti pracovní části jejich prvků schopné absorbovat stávající zatížení, a také v důsledku změny pevnost dřeva v nezuhelnatělé části řezu. Na změnu únosnosti spojů při požáru má vliv jak zuhelnatění dřeva, tak i pokles pevnosti ocelových prvků použitých při návrzích těchto spojů (hmoždinky, ocelové desky, botky).

Na základě výsledků studií provedených VNIIPO MVD RF je navržen následující fyzikální model zuhelnatění dřeva dřevěných konstrukcí vlivem „standardního“ požáru, který zahrnuje dvě fáze. V souladu s obrázkem 4.18,a je první fáze procesu charakterizována intenzivním ohřevem povrchových vrstev dřeva, což způsobuje odpařování vlhkosti obsažené ve dřevě do okolního prostředí a její pohyb do hloubky průřezu prvku. V tomto případě se vytvoří tři charakteristické zóny, z nichž v první je pozorována částečná destrukce dřeva a hodnoty teplot na hranicích této zóny jsou rovny: t 1 175 °C. Ve druhé zóně, při t 2 > 100 °C, dochází k fázové přeměně vlhkosti na páru. Ve třetí zóně teplota ve dřevě kolísá v rozmezí 20 < t < 100 C. Za 3-5 minut po začátku tepelné expozice ve “standardním” režimu hoření dosáhne teplota na povrchu dřeva s relativní vlhkostí nejvýše 9 % 280-300 C. Současně začíná karbonizace povrchových vrstev dřeva, které ztrácí své původní mechanické vlastnosti. Podle uvažovaného modelu začíná druhá fáze procesu (obr. 4.18, b), kde se kromě zón 1, 2, 3 uvažuje i zóna 0, ve které se při t >300 C tvoří vrstva uhlí s heterogenní porézní strukturou se smršťovacími trhlinami. Tato přepálená vrstva dřeva má ve srovnání s nezuhelnatělým dřevem nižší termofyzikální vlastnosti: součinitel tepelné vodivosti, měrnou tepelnou kapacitu. Proces zuhelnatění probíhá postupně a šíří se od povrchových vrstev hluboko do průřezu prvku, což vede ke zmenšení jeho rozměrů.

Rychlost zuhelnatění různých druhů dřeva se pohybuje od 0,6 do 1,0 mm/min a závisí na: změnách a trvání teplotních podmínek; hustota a vlhkost dřeva; počet topných stran dřevěného prvku, jakož i rozměry jeho průřezu a drsnosti povrchu. S nárůstem hustoty, vlhkosti dřeva a rozměrů průřezu dřevěného prvku klesá rychlost zuhelnatění a se zvýšením teploty topného média při požáru, proudění vzduchu, počet zahřátých strany řezu a drsnost povrchu jejich rovin se zvyšuje rychlost zuhelnatění dřeva. Ve srovnání s vrstveným dřevem je míra zuhelnatění masivního dřeva vyšší. S prodlužující se dobou působení teploty klesá rychlost zuhelnatění.

U prvků obdélníkového průřezu závisí rychlost zuhelnatění dřeva na poměru výšky h průřezu k jeho šířce b. Takže při zahřívání prvku na třech stranách s h/b=1 (čtvercový průřez) je rychlost zuhelnatění V bočních ploch rovna rychlosti zuhelnatění spodní hrany (strana V = V) a pro poměr h /b=3,4 – V dole = 1,3V strana .

Nejmenší velikost sekce, mm

Rychlost zuhelnatění dřeva V, mm/min