Betonszerkezetek tűzvédelmi méretezése az Eurocode 2 második generációjában

Először bemutatjuk az új kiadást, hogy magabiztosan tudja alkalmazni. Ezután a második lehetőséget egy valódi előregyártott tartón is gyakorlatba ültetjük, és megmutatjuk, mennyire egyszerűen automatizálható a folyamat. (A szakaszszámok az EN 1992-1-2:2023 szabványra vonatkoznak, kivéve, ha 2004 jelölés szerepel.)

Mi változott a szabványokban - Tűzállóság

1. A táblázatok megmaradnak, de a körülöttük lévő szabályok szigorodnak.

A táblázatos adatok továbbra is a gyors és konzervatív megoldást jelentik, a számítási módszerek pedig azokra a szerkezeti elemekre szolgálnak, amelyeket a táblázatok nem fednek le. A 2023-as kiadás megtartja ezt a megközelítést, de pontosítja a határokat: a táblázatos eredmények a vizsgálatokhoz, valamint az egyszerűsített és a fejlett módszerekhez képest általában a biztonság javára közelítenek, a megadott tartományon túli extrapoláció pedig nem megengedett (6.1(2) pont).

A cél az is, hogy a három megközelítés következetesebben működjön együtt. Az előszó megerősíti, hogy a táblázatos előírásokat frissítették, hogy összhangba kerüljenek a táblázatos, az egyszerűsített és a fejlett módszerek.

Mire vannak kalibrálva a táblázatok?

A táblázatokban szereplő legkisebb méretek rögzített feltevéseken alapulnak. A legfontosabb referenciaértékek nagyrészt változatlanok maradtak:

• ηfi = 0,7 — a referencia teherszint (2004, 5.2(3) pont; 2023, 6.2(1) pont).
• 500 °C — a vasalás kritikus hőmérséklete hajlított, egyszerű alátámasztású szerkezeti elemeknél, amely ηfi = 0,7 és γS = 1,15 esetén nagyjából 0,60 fyk értéknek felel meg (2004, 5.2(4); 2023, 6.2(3) pont, 1. megjegyzés).

Két említésre méltó változás azonban történt:

1. Hővezető képesség: a 2004-es kiadás lehetővé tette, hogy az adatokat a hővezető képesség megengedett tartományában alkalmazzák. A 2023-as kiadás egyetlen hővezető képesség függvényt ad meg.
2. ηfi: 2004-ben a Nemzeti Melléklet módosíthatta ezt az értéket (2004, 5.2(3), megjegyzés). 2023-ban az ηfi = 0,7 rögzített érték a 6.2(1) pontban.

Ugyanez a pont azt is előírja, hogy a táblázatos adatokat korrigálni kell, ha az alapfeltevések nem teljesülnek. Kizárja az alkalmazásukat is, ha az anyagi tényezőket az EN 1992-1-1 A melléklete szerint módosították.

2. A nedvességtartalom már nem csupán egy százalékos érték, hanem a döntési folyamat része.

Az alapelv mindkét kiadásban ugyanaz: a súlyos felpattogzást el kell kerülni, vagy a teherbírásra gyakorolt hatását figyelembe kell venni.

A nedvesség kezelése azonban megváltozott:

• 2004: a robbanásszerű felpattogzást egy tömegszázalékban megadott nedvességi küszöbértékhez kötötték, amelynek javasolt értékét a Nemzeti Melléklet határozta meg.
• 2023: a rögzített százalékos érték megszűnt. A nedvességtartalmat most a felpattogzást befolyásoló egyéb tényezőkkel együtt kell vizsgálni, ilyen a kitettség, a teher, a megfogás, a geometria, az adalékanyag, a kiegészítő anyagok, a levegőtartalom, a szálak, a áteresztőképesség és a szilárdság.

A 2023-as kiadás egy külön döntési táblázatot (10.1 táblázat) is bevezet. Az értékelést négy fő bemenő adathoz köti: tűzállósági idő, nedvességi állapot, betonszilárdság és szilikapor-tartalom.

Más szóval a nedvesség már nem egyetlen ellenőrizendő szám, hanem a felpattogzás tágabb értékelésének egyik eleme.

3. Az 500 °C-os izoterma megszűnt, a hőmérsékleti grafikonok helyét pedig képletek veszik át.

A 2004-es kiadás a tájékoztató B mellékletben két csökkentett keresztmetszetű módszert kínált: az 500 °C-os izoterma módszert és a zónamódszert (2004, 4.2.3, B.1.1(3)–(4), B.2(3)). A 2023-as szöveg nem tartalmaz 500 °C-os izoterma módszert, a 7.3.2 pont pedig kizárólag a zónamódszer logikáját használja.

Miért változnak az eredmények az 1-1. részen keresztül – Az EN 1992-1-2 az szobahőmérsékleti méretezés kiegészítéseként készült. Meghatározza az EN 1992-1-1-től való eltéréseket vagy kiegészítéseket, és az említett szabvány 2023-as kiadására datált normatív hivatkozásként hivatkozik (1.1(1) pont).

Ez a kapcsolat az egyszerűsített hajlítási ellenőrzésnél különösen jól látszik:

• MRd,fi érvényes, kivéve, ha As,prov/As,req > 1,3 (7.3.3.2 pont, 7.18 képlet).
• Mind a MEd, mind az As,req az EN 1992-1-1 szerint adódik.
• A 2023-as módszer a hőmérséklet miatt csökkentett szilárdságot az egyes húzott rudakra átlagolja.

Mi változott még?

Maga az EN 1992-1-1 is megváltozott. A második generáció módosított szabályokat hoz a nyírásra és a csavarásra, szélesebb alkalmazási kört, amely lefedi a hidakat, a folyadéktároló és védőburkolati szerkezeteket, a CFRP-erősítést és az acélszállal erősített betont, továbbá új mellékleteket a meglévő szerkezetek értékeléséhez és megerősítéséhez.

A nyírás és a csavarás a tájékoztató mellékletből a fő szövegbe kerül. 2004-ben a nyírás, a csavarás és a lehorgonyzás számítási módszere a tájékoztató D mellékletben szerepelt, amely megjegyezte, hogy a tűz okozta nyírási tönkremenetel nagyon ritka, és hogy a megadott módszereket nem ellenőrizték teljes körűen (2004, D melléklet). A 2023-as kiadás a nyírást és a csavarást a 7.3.5 pontba helyezi, az egyszerűsített méretezési módszerek közé, a lehorgonyzást pedig a szerkesztési szabályokhoz helyezi át, ahol a tűz esetén érvényes lehorgonyzási és átfedési hosszak megegyezhetnek a környezeti hőmérsékleten érvényes értékekkel (9.2(1) pont).

A táblázatos módszer ebben a tekintetben változatlan. Ha a 6. pont legkisebb méreteit betartják, a nyírásra, a csavarásra és a lehorgonyzásra vonatkozó további ellenőrzések elhagyhatók (6.1(7) pont; 2004, 5.1(3)). A változás a számítással igazolt szerkezeti elemeket érinti. A 7.3.5 pont két esetet különít el:

• Nyírási vasalással rendelkező szerkezeti elemek (7.3.5.3 pont). A 7.3.2 pont szerinti csökkentett keresztmetszetet kell alkalmazni, a betonszilárdságot pedig az M pontban kell figyelembe venni. A kengyelek szilárdságát a P pontban mért hőmérséklettel csökkentik, ez a kengyel és a gerinc felénél húzott keresztmetszet metszéspontja. (Lásd az alábbi képet.) Az EN 1992-1-1 nyírási módszereit ezután a csökkentett keresztmetszetre kell alkalmazni. Síkfödémeknél a függőleges kengyelek vagy csapok csak akkor vehetők figyelembe, ha a csökkentett geometriában metszik a vizsgált tönkremeneteli felületet, a csavarásra pedig ugyanez a logika vonatkozik (7.3.5.3(6), 7.3.5.4 pont).
• Olyan szerkezeti elemek, amelyek nyírószilárdsága a beton húzószilárdságától függ (7.3.5.2 pont). Az előfeszített, valamint a vasalatlan vagy gyengén vasalt szerkezeti elemeknél különös figyelmet kell fordítani a nemlineáris hőmérséklet-eloszlás okozta húzófeszültségekre, például üreges födémeknél és vastag gerendáknál. A húzószilárdságot egyébként figyelmen kívül hagyják, és ha felhasználják, a csökkentés az (5.21) és (5.22) képletek szerint történik (5.3.1.2 pont).

Új kiadás, új szerkezet: hol találja meg, amire szüksége van

És ami teljesen új

• Csökkentett nemzeti választási lehetőségek – A 2004-es előszó tizenhat, nemzeti választásra nyitott pontot sorol fel. A 2023-as előszó három pontot említ. Már nem nemzeti választás tárgya: a hővezető képesség tartománya, a nedvességi küszöbérték, az A módszer külpontossági határa, az ηfi referencia teherszint, valamint annak eldöntése, hogy alkalmazhatók-e fejlett módszerek. (2023 0.5; 2004 előszó, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• A módszer, külpontosság – Az elsőrendű külpontosság tűz esetén a keresztmetszeti méret negyedére korlátozott, és a szabványban rögzített érték. A 2004-es javasolt érték 0,15h volt. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Lehűlési szakasz – A képletek megadják a csúcshőmérsékletre felmelegített, majd 20 °C-ra visszahűlt beton szilárdságát. A 2004-es szöveg csupán annyit mondott, hogy a lehűlés közbeni esetleges szilárdságnövekedést nem szabad figyelembe venni. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

Az IDEA StatiCa megközelítése: keresztmetszet-ellenőrzés ma és a jövőben

Mit fed le az RCS

IDEA StatiCa RCS alkalmazás egy kérdésre gyorsan válaszol: megfelel-e a keresztmetszet a táblázatos adatoknak? Érdemes pontosan kijelölni ezt a határt, mert a második generáció itt választja szét a táblázatos módszert a számítási módszerektől. Az RCS-ben a tűzállóság ellenőrzése lemezekre, falakra, gerendákra, oszlopokra és karcsú oszlopokra érhető el. A funkciót a projektvarázslóban kell kiválasztani: Tűzállóság EN 1992-1-2:2006-11.

• Oszlopok – A módszer és B módszer
• Gerendák – Csak téglalap, T és I keresztmetszet. Meg kell különböztetni az egynyílású és a többtámaszú gerendákat. Többtámaszú gerendánál meg kell adni a keresztmetszet helyzetét a gerenda mentén, ami jelentősen befolyásolja az ellenőrzést. Az ellenőrzött értékek a gerinc szélessége és a külső vasalási réteg távolsága a legközelebbi tűznek kitett felülettől.
• Födémek – Egy- és kétirányban teherviselő födémek, falakra támaszkodó folytatólagos lemez és oszlopokra támaszkodó folytatólagos lemez.
• Falak – Teherviselő és nem teherviselő falak

Miért támaszkodjunk táblázatokra, ha kiszámíthatjuk a tényleges hőmérsékletet?

A táblázatok gyors módot adnak a tűzállóság ellenőrzésére, de csak meghatározott keresztmetszeti alakokat, méreteket, tengelytávolságokat és tűzhatásokat fednek le. 

Ez új tervezésnél működik, mert ha a keresztmetszet nem felel meg, módosítható. A meglévő szerkezeti elemeknél viszont a geometria már adott, és az a keresztmetszet, amely néhány milliméterrel eltér a táblázattól, táblázat alapján nem igazolható.

Itt jelent különbséget a tényleges hőmérséklet-eloszlás kiszámítása. Előre meghatározott értékek helyett kiszámíthatja, hogyan terjed a hő a valós keresztmetszetben, és ezekkel a hőmérsékletekkel ellenőrizheti a teherbírást. A Section alkalmazás pontosan ezt teszi: elemzi a tényleges keresztmetszetet és a vasalás elrendezését, majd a számított hőmérsékletek alapján ellenőrzi a tűzállóságot.

Mit tud az új Section alkalmazás

Példa egy tetőtartóra a Section alkalmazásban. A táblázatos ellenőrzés egyetlen tengelytávolságra ad igen vagy nem választ. A Section alkalmazással ugyanez a keresztmetszet kihasználtságot ad eredményül. Hogy lássuk, hogyan néz ki a fejlett módszer egy valós szerkezeti elemen, egy tetőtartót futtattunk le a Section alkalmazásban (BÉTA). A tűzhelyzetet ugyanabban a projektben kapcsoljuk be, mint a normál hőmérsékleti ellenőrzéseket, így nincs szükség második modellre. A tűz esetén fellépő teherhatásokat külön csoportként kell megadni, az ULS és SLS teherhatásoktól elkülönítve, mert a tűzben fellépő belső erők eltérnek a normál hőmérsékletűektől.

A modellezett keresztmetszet egy 1140 mm magas, előregyártott I-tartó, többféle rúdátmérővel és a gyártó igényeire optimalizált vasalási kiosztással. A tűzállósági osztály R60, a tűzgörbe az EN 1991-1-2 szerinti szabványos tűzgörbe, a tűznek kitett oldalak pedig az alsó, a bal és a jobb oldal. A felhasználó négy lehetőség közül választja ki a tűznek kitett oldalakat (felső, alsó, bal, jobb – lásd az alábbi képeket), az alkalmazás pedig levezeti a tényleges kitett éleket, és pirossal rajzolja meg őket, a beszögellő sarkokban is, például a gerinc és a öv csatlakozásánál. A keresztmetszet a középső keresztmetszet, és a bemutatóban csak hajlítónyomaték terheli.

Hőmérséklet-eloszlás – Az alkalmazás finomabb hálóval osztja fel a keresztmetszetet, és időlépésekben számítja ki a hőmérséklet-eloszlást 60 percig (ebben az esetben 60 percig, összesen legfeljebb 240 percig). A hőtérképen az alsó felület és az alsó sarkok a legforróbbak, a hőmérséklet pedig a gerinc közepe felé élesen csökken. Az adatnézet felsorolja a betonelemek és az egyes rudak hőmérsékletét. Például a legalsó sarokrúd 480 °C-ot ér el, míg a felső öv közepén lévő rudak hőmérséklete csaknem szobahőmérséklet. Ezt az eloszlást táblázat nem tudja megmutatni, mert egyetlen névleges tengelytávolsággal dolgozik.

Ezekből a hőmérsékletekből az alkalmazás levezeti a csökkentett anyagjellemzőket, a betonszilárdságra, a vasalás folyáshatárára és arányossági határára, valamint a rugalmassági modulusra vonatkozó csökkentő tényezők segítségével. Az EN 1992-1-2 szerinti csökkentő tényezőket használja. A tényezőtérkép megmutatja, mi határozza meg valójában az ellenőrzést. Ebben a tartóban a legalsó rúd megtartja a folyáshatárának 60%-át, az alsó öv sarkaiban lévő beton pedig a szilárdságának körülbelül 6%-át. Végül, de nem utolsósorban a Section alkalmazás képleteket használ, hogy az eredményben könnyű legyen eligazodni. Például a hajlítási ellenőrzés ugyanaz a válasz, mint normál hőmérsékleten, csak most a csökkentett szilárdságokkal értékelve.

Összegzés

Akár közvetlenül olvassa a mérnök az EN 1992-1-2 második generációját, akár a szoftverre bízza a munkát, a kiindulópont ugyanaz. A táblázatos adatok továbbra is a gyors, a biztonság javára közelítő ellenőrzést jelentik új, szabályos szerkezeti elemeknél. Akik a szabványt dolgozzák fel, azoknak a fent bemutatott változások megmutatják, miben tér el a 2023-as szabályozás a 2004-es kiadástól. Ha a táblázat nem felel meg, vagy nem alkalmazható, a szabvány a fejlett számítási módszerekre utal, a Section alkalmazás pedig ezt az utat valósítja meg: levezeti az egyes rudak és betonelemek hőmérsékletét, alkalmazza a csökkentett anyagjellemzőket, és megfelel/nem felel meg eredmény helyett kihasználtságot ad. Mivel a keresztmetszet tényleges viselkedését tükrözi, kényelmes, gyors és pontos alternatívát jelent a táblázatos módszerrel szemben.