Navrhování betonových konstrukcí na účinky požáru v 2. generaci Eurokódu 2

Nejprve si novou edici rozebereme, abyste s ní mohli pracovat s jistotou. Poté si druhou možnost vyzkoušíme v praxi na skutečném prefabrikovaném nosníku a ukážeme, jak snadno lze celý postup automatizovat. (Čísla článků se vztahují k EN 1992-1-2:2023, pokud není uvedeno 2004.)

Co se změnilo v normách – požární odolnost

1. Tabulky zůstávají, ale pravidla kolem nich jsou přísnější.

Tabulkové údaje jsou nadále rychlým a konzervativním postupem, zatímco výpočetní metody slouží pro prvky, které tabulky nepokrývají. Edice 2023 tento přístup zachovává, ale upřesňuje jeho hranice: tabulkové výsledky se obecně považují za bezpečné ve srovnání se zkouškami i s zjednodušenými či pokročilými metodami a extrapolace mimo uvedený rozsah není povolena (čl. 6.1(2)).

Cílem je také zajistit, aby všechny tři přístupy fungovaly konzistentněji společně. Předmluva potvrzuje, že ustanovení o tabulkových údajích byla aktualizována tak, aby sladila tabulkové, zjednodušené a pokročilé metody.

Na co jsou tabulky kalibrovány?

Minimální rozměry v tabulkách vycházejí z pevně daných předpokladů. Klíčové referenční hodnoty zůstávají převážně beze změny:

• ηfi = 0,7 — referenční úroveň zatížení (2004, čl. 5.2(3); 2023, čl. 6.2(1)).
• 500 °C — kritická teplota vyztužení u prostě podepřených prvků namáhaných ohybem, což odpovídá přibližně 0,60 fyk při ηfi = 0,7 a γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, čl. 6.2(3), poznámka 1).

Došlo však ke dvěma významným změnám:

1. Tepelná vodivost: edice 2004 umožňovala použít údaje v celém povoleném rozsahu tepelné vodivosti. Edice 2023 uvádí jedinou funkci tepelné vodivosti.
2. ηfi: v roce 2004 mohla tuto hodnotu upravit národní příloha (2004, 5.2(3), poznámka). V roce 2023 je ηfi = 0,7 pevně stanoveno v čl. 6.2(1).

Stejný článek také vyžaduje, aby byly tabulkové údaje upraveny, pokud základní předpoklady neplatí, a vylučuje jejich použití tam, kde byly součinitele materiálu upraveny podle přílohy A normy EN 1992-1-1.

2. Vlhkost betonu už není jen procento – je nyní součástí rozhodovacího procesu.

Základní princip zůstává v obou edicích stejný: je třeba zabránit výraznému odštěpování, nebo je nutné zohlednit jeho vliv na únosnost.

Způsob posuzování vlhkosti se však změnil:

• 2004: explozivní odštěpování bylo spojeno s mezní hodnotou vlhkosti vyjádřenou v procentech hmotnosti, přičemž doporučenou hodnotu stanovovala národní příloha.
• 2023: pevné procento zmizelo. Vlhkost se nyní posuzuje spolu s dalšími faktory, které mohou odštěpování ovlivnit, včetně expozice, zatížení, omezení přetvoření, geometrie, kameniva, příměsí, obsahu vzduchu, vláken, propustnosti a pevnosti.

Edice 2023 rovněž zavádí samostatnou rozhodovací tabulku (tabulka 10.1). Posouzení v ní vychází ze čtyř klíčových vstupů: doby požární odolnosti, stavu vlhkosti, pevnosti betonu a obsahu křemičitého úletu.

Jinými slovy, vlhkost už není jediné číslo, které je třeba ověřit — je jednou součástí širšího posouzení odštěpování.

3. Izoterma 500 °C je pryč – a teplotní grafy ustupují vzorcům.

Edice 2004 nabízela v informativní příloze B dvě metody redukovaného průřezu: metodu izotermy 500 °C a zónovou metodu (2004, 4.2.3, B.1.1(3) až (4), B.2(3)). Text z roku 2023 metodu izotermy 500 °C neobsahuje a jeho čl. 7.3.2 vychází pouze z logiky zónové metody.

Proč se výsledky mění prostřednictvím části 1-1 – EN 1992-1-2 je koncipována jako doplněk návrhu při běžné teplotě. Uvádí rozdíly oproti EN 1992-1-1 nebo doplnění k ní a odkazuje na edici 2023 této normy jako na datovaný normativní odkaz (čl. 1.1(1)).

Tato vazba je zvláště patrná u zjednodušeného posouzení ohybu:

• MRd,fi platí, pokud není As,prov/As,req > 1,3 (čl. 7.3.3.2, vzorec 7.18).
• MEd i As,req vycházejí z EN 1992-1-1.
• Metoda z roku 2023 průměruje pevnost sníženou vlivem teploty přes jednotlivé tažené pruty.

Co dalšího se změnilo?

Změnila se i samotná norma EN 1992-1-1. Druhá generace přináší revidovaná pravidla pro smyk a kroucení, širší rozsah zahrnující mosty, nádrže na kapaliny a ochranné konstrukce, zesilování pomocí CFRP a beton vyztužený ocelovými vlákny, a také nové přílohy pro posuzování a zesilování existujících konstrukcí.

Smyk a kroucení se přesouvají z informativní přílohy do hlavního textu. V roce 2004 byla výpočetní metoda pro smyk, kroucení a kotvení uvedena v informativní příloze D, která obsahovala poznámku, že porušení smykem vlivem požáru jsou velmi neobvyklá a že uvedené metody nebyly plně ověřeny (2004, příloha D). Edice 2023 řadí smyk a kroucení do čl. 7.3.5 v rámci zjednodušených návrhových metod a kotvení přesouvá do konstrukčních zásad, kde mohou být délky kotvení a přesahu při požáru považovány za rovné hodnotám při běžné teplotě (čl. 9.2(1)).

Tabulkový postup se v tomto ohledu nemění. Pokud jsou dodrženy minimální rozměry podle článku 6, lze další posouzení smyku, kroucení a kotvení vynechat (čl. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). Změna se týká prvků posuzovaných výpočtem. Čl. 7.3.5 rozlišuje dva případy:

• Prvky se smykovým vyztužením (čl. 7.3.5.3). Použije se redukovaný průřez podle čl. 7.3.2 a pevnost betonu se uvažuje v bodě M. Pevnost třmínků se snižuje podle teploty v bodě P, tedy v průsečíku třmínku s průřezem ve středu výšky stojiny. (Viz obrázek níže.) Na redukovaný průřez se poté použijí metody posouzení smyku podle EN 1992-1-1. U bezprůvlakových desek se svislé třmínky nebo trny započítávají pouze tam, kde protínají kontrolní plochu porušení v redukované geometrii, a kroucení se řídí stejnou logikou (čl. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Prvky, jejichž smyková pevnost závisí na tahové pevnosti betonu (čl. 7.3.5.2). Předpjaté prvky a prvky z prostého nebo slabě vyztuženého betonu vyžadují zvláštní zohlednění tahových napětí vyvolaných nelineárním rozložením teploty, například ve stropních deskách s dutinami a v masivních nosnících. Tahová pevnost se jinak zanedbává, a pokud se použije, snížení se řídí vzorci (5.21) a (5.22) (čl. 5.3.1.2).

Nová edice, nová struktura: kde najít, co potřebujete

A nyní novinky

• Omezení národní volby – Předmluva z roku 2004 uvádí šestnáct článků, u nichž je možná národní volba. Předmluva z roku 2023 uvádí tři články. Národní volbě již nepodléhají: rozsah vodivosti, mezní hodnota vlhkosti, mezní hodnota excentricity metody A, referenční úroveň zatížení ηfi a rozhodnutí o tom, zda lze použít pokročilé metody. (2023 0.5; 2004 předmluva, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Metoda A, excentricita – Excentricita prvního řádu při požáru je omezena na čtvrtinu rozměru průřezu a je pevně stanovena v normě. Doporučená hodnota podle edice 2004 byla 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Fáze chladnutí – Vzorce udávají pevnost betonu zahřátého na maximální teplotu a ochlazeného zpět na 20 °C. Text z roku 2004 uváděl pouze to, že případný nárůst pevnosti při chladnutí se nemá započítávat. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

Přístup IDEA StatiCa: posouzení průřezu dnes i v budoucnu

Co pokrývá RCS

Aplikace IDEA StatiCa RCS rychle odpovídá na jednu otázku: vyhovuje průřez tabulkovým údajům? Tuto hranici je třeba vymezit přesně, protože právě zde druhá generace odděluje tabulkový postup od výpočetních postupů. Požární odolnost je v RCS k dispozici pro desky, stěny, nosníky, sloupy a štíhlé sloupy. Funkce se vybírá v průvodci projektem jako Požární odolnost EN 1992-1-2:2006-11.

• Sloupy – Metoda A a Metoda B
• Nosníky – Pouze obdélníkový průřez, průřez T a průřez I. Je nutné rozlišit nosníky o jednom poli a spojité nosníky. U spojitého nosníku je třeba zadat polohu průřezu podél nosníku, což má významný vliv na posouzení. Kontrolují se šířka stojiny a vzdálenost vnější vrstvy vyztužení od nejbližšího exponovaného povrchu.
• Desky – Jednosměrně a obousměrně pnuté desky, spojitá deska podepřená stěnami a spojitá deska podepřená sloupy.
• Stěny – Nosné a nenosné stěny

Proč spoléhat na tabulky, když lze vypočítat skutečnou teplotu?

Tabulky jsou rychlým způsobem posouzení požární odolnosti, ale pokrývají pouze určité tvary průřezů, rozměry, osové vzdálenosti a požární podmínky. 

To funguje u nových návrhů, kde lze v případě nevyhovění průřez upravit. U existujících prvků je však geometrie již dána a pro průřez, který tabulky nesplňuje o pouhých několik milimetrů, neexistuje řešení založené na tabulkách.

Právě zde se projeví výpočet skutečného teplotního pole. Místo předdefinovaných hodnot můžete vypočítat, jak se teplo šíří skutečným průřezem, a z těchto teplot posoudit jeho únosnost. Aplikace Section dělá přesně to: analyzuje skutečný průřez a uspořádání vyztužení a poté posuzuje jeho požární odolnost na základě vypočtených teplot.

Co přináší nová aplikace Section

Ukázka střešního vazníku v aplikaci Section. Posouzení podle tabulek dává odpověď ano/ne pro jednu osovou vzdálenost. V aplikaci Section vrací stejný průřez využití. Abychom ukázali, jak vypadá pokročilá metoda na skutečném prvku, posoudili jsme střešní vazník v aplikaci Section (BETA). Požární situace se zapíná ve stejném projektu jako posouzení při normální teplotě, takže není nutný druhý model. Účinky zatížení při požáru se zadávají jako samostatná skupina, oddělená od účinků pro MSÚ a MSP, protože vnitřní síly při požáru se liší od sil při normální teplotě.

Modelovaný průřez je prefabrikovaný nosník tvaru I o výšce 1140 mm s více průměry prutů a uspořádáním vyztužení optimalizovaným podle potřeb výrobce. Třída požární odolnosti je R60, požární křivkou je normová teplotní křivka podle EN 1991-1-2 a strany vystavené požáru jsou spodní, levá a pravá. Uživatel vybírá exponované strany ze čtyř možností (horní, spodní, levá, pravá – viz obrázky níže) a aplikace z nich odvodí skutečné exponované hrany, vykreslené červeně, včetně vnitřních rohů, například napojení stojiny na pásnici. Posuzuje se průřez uprostřed rozpětí a v ukázce je zatížen pouze ohybovým momentem.

Rozložení teploty – Aplikace vytvoří v průřezu jemnější síť a vypočítá teplotní pole v časových krocích až do 60 minut (v tomto případě 60 minut, celkově až do 240 minut). Na teplotní mapě jsou nejteplejší spodní líc a dolní rohy a teplota směrem ke středu stojiny strmě klesá. Datový přehled uvádí teplotu betonových prvků i každého jednotlivého prutu. Například nejnižší rohový prut dosahuje 480 °C, zatímco pruty uprostřed horní pásnice mají téměř pokojovou teplotu. Tabulka toto rozložení ukázat nemůže, protože pracuje s jedinou nominální osovou vzdáleností.

Z těchto teplot aplikace odvodí redukované vlastnosti materiálu pomocí redukčních součinitelů pro pevnost betonu, mez kluzu a mez úměrnosti vyztužení a modul pružnosti. Používá redukční součinitele podle EN 1992-1-2. Mapa součinitelů ukazuje, co skutečně rozhoduje o posouzení. U tohoto vazníku si nejníže umístěný prut zachovává 60 % meze kluzu a beton v rozích spodní pásnice si zachovává přibližně 6 % pevnosti. V neposlední řadě aplikace Section používá vzorce, které usnadňují orientaci ve výsledcích. Například posouzení na ohyb je stejnou odezvou jako při normální teplotě, nyní vyhodnocenou s redukovanými pevnostmi.

Závěr

Ať už inženýr čte druhou generaci EN 1992-1-2 přímo, nebo nechá práci na softwaru, výchozí bod je stejný. Tabulkové údaje zůstávají rychlým posouzením na straně bezpečnosti pro nové, pravidelné prvky. Pro ty, kdo s normou pracují, ukazují výše uvedené změny, v čem se pravidla z roku 2023 liší od edice 2004. Pokud tabulky nevyhoví nebo je nelze použít, norma odkazuje na pokročilé výpočetní metody a aplikace Section tento postup provádí: odvodí teplotu každého prutu a betonového prvku, použije redukované vlastnosti materiálu a místo vyhovuje/nevyhovuje vrací využití. Protože zohledňuje skutečné chování průřezu, je pohodlnou, rychlou a přesnou alternativou k tabulkovému postupu.