Projektowanie betonowych elementów na wypadek pożaru według drugiej generacji Eurokodu 2

Najpierw omówimy nowe wydanie normy, aby można było korzystać z niego z pewnością. Następnie wykorzystamy drugą opcję w praktyce na rzeczywistym prefabrykowanym dźwigarze i pokażemy, jak łatwo można zautomatyzować ten proces. (Numery punktów odnoszą się do EN 1992-1-2:2023, o ile nie oznaczono 2004.)

Co zmieniło się w normach - odporność ogniowa

1. Tablice pozostają – ale zasady wokół nich są bardziej rygorystyczne.

Dane tablicowe nadal stanowią szybką i konserwatywną metodę, a metody obliczeniowe służą do projektowania elementów, których tablice nie obejmują. Wydanie z 2023 roku zachowuje to podejście, ale precyzuje jego granice: wyniki tablicowe są zasadniczo uznawane za leżące po stronie bezpiecznej w stosunku do badań oraz metod uproszczonych lub zaawansowanych, a ekstrapolacja poza podany zakres jest niedozwolona (pkt 6.1(2)).

Celem jest także spójniejsze współdziałanie tych trzech podejść. Przedmowa potwierdza, że przepisy dotyczące metody tablicowej zaktualizowano w celu ujednolicenia metod tablicowej, uproszczonej i zaawansowanej.

Do czego skalibrowano tablice?

Minimalne wymiary podane w tablicach opierają się na stałych założeniach. Kluczowe wartości odniesienia pozostają w dużej mierze niezmienione:

• ηfi = 0,7 — referencyjny poziom obciążenia (2004, pkt 5.2(3); 2023, pkt 6.2(1)).
• 500 °C — temperatura krytyczna zbrojenia w swobodnie podpartych elementach zginanych, odpowiadająca około 0,60 fyk przy ηfi = 0,7 i γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, pkt 6.2(3), Uwaga 1).

Wprowadzono jednak dwie istotne zmiany:

1. Przewodność cieplna: wydanie z 2004 roku dopuszczało stosowanie danych w całym dozwolonym zakresie przewodności cieplnej. Wydanie z 2023 roku podaje jedną funkcję przewodności cieplnej.
2. ηfi: w 2004 roku Załącznik Krajowy mógł zmienić tę wartość (2004, 5.2(3), Uwaga). W 2023 roku ηfi = 0,7 jest wartością stałą w pkt 6.2(1).

Ten sam punkt wymaga również korekty danych tablicowych, gdy podstawowe założenia nie mają zastosowania, oraz wyklucza ich stosowanie, gdy współczynniki materiałowe zmodyfikowano zgodnie z Załącznikiem A do EN 1992-1-1.

2. Wilgotność nie jest już tylko wartością procentową – jest teraz częścią procesu decyzyjnego.

Podstawowa zasada pozostaje taka sama w obu wydaniach: należy unikać intensywnego odpryskiwania betonu lub uwzględnić jego wpływ na nośność.

Zmieniło się jednak podejście do wilgotności:

• 2004: eksplozyjne odpryskiwanie betonu powiązano z progiem wilgotności wyrażonym w procentach masy, a zalecaną wartość określał Załącznik Krajowy.
• 2023: stały procent został usunięty. Wilgotność rozpatruje się teraz łącznie z innymi czynnikami, które mogą wpływać na odpryskiwanie, w tym z ekspozycją, obciążeniem, skrępowaniem, geometrią, kruszywem, dodatkami, zawartością powietrza, włóknami, przepuszczalnością i wytrzymałością.

Wydanie z 2023 roku wprowadza także dedykowaną tablicę decyzyjną (Tablica 10.1). Wiąże ona ocenę z czterema kluczowymi danymi wejściowymi: klasą odporności ogniowej, stanem wilgotności, wytrzymałością betonu i zawartością pyłu krzemionkowego.

Innymi słowy, wilgotność nie jest już pojedynczą wartością do sprawdzenia — to jeden z elementów szerszej oceny odpryskiwania.

3. Izoterma 500 °C znika – a wykresy temperatur ustępują miejsca wzorom.

Wydanie z 2004 roku podawało w informacyjnym Załączniku B dwie metody zredukowanego przekroju: metodę izotermy 500 °C i metodę strefową (2004, 4.2.3, B.1.1(3) do (4), B.2(3)). Tekst z 2023 roku nie zawiera metody izotermy 500 °C, a jego pkt 7.3.2 opiera się wyłącznie na logice metody strefowej.

Dlaczego wyniki zmieniają się za sprawą Części 1-1 – EN 1992-1-2 jest opracowana jako uzupełnienie projektowania w temperaturze normalnej. Wskazuje różnice względem EN 1992-1-1 lub dodatki do niej i powołuje się na wydanie tej normy z 2023 roku jako datowane odniesienie normatywne (pkt 1.1(1)).

To powiązanie jest szczególnie widoczne w uproszczonym sprawdzeniu zginania:

• MRd,fi jest ważny, o ile As,prov/As,req > 1,3 (pkt 7.3.3.2, Wzór 7.18).
• Zarówno MEd, jak i As,req pochodzą z EN 1992-1-1.
• Metoda z 2023 roku uśrednia wytrzymałość zredukowaną ze względu na temperaturę dla poszczególnych prętów rozciąganych.

Co jeszcze się zmieniło?

Zmieniła się sama EN 1992-1-1. Druga generacja wprowadza zmienione zasady dotyczące ścinania i skręcania, szerszy zakres obejmujący mosty, konstrukcje zbiorników na ciecze i obudów bezpieczeństwa, wzmacnianie CFRP oraz beton zbrojony włóknami stalowymi, a także nowe załączniki dotyczące oceny i wzmacniania istniejących konstrukcji.

Ścinanie i skręcanie przenoszą się z załącznika informacyjnego do tekstu głównego. W 2004 roku metoda obliczania ścinania, skręcania i zakotwienia znajdowała się w informacyjnym Załączniku D, który zawierał uwagę, że zniszczenia przy ścinaniu w warunkach pożaru są bardzo rzadkie, a podane metody nie zostały w pełni zweryfikowane (2004, Załącznik D). Wydanie z 2023 roku umieszcza ścinanie i skręcanie w pkt 7.3.5, w ramach uproszczonych metod projektowania, a zakotwienie przenosi do zasad konstruowania, gdzie długości zakotwienia i zakładu w warunkach pożaru mogą być przyjmowane jako równe wartościom w temperaturze otoczenia (pkt 9.2(1)).

Metoda tablicowa pozostaje pod tym względem bez zmian. Jeśli zachowane są minimalne wymiary z punktu 6, dalsze sprawdzenia ścinania, skręcania i zakotwienia można pominąć (pkt 6.1(7); 2004, 5.1(3)). Zmiana dotyczy elementów weryfikowanych obliczeniowo. Punkt 7.3.5 rozróżnia dwa przypadki:

• Elementy ze zbrojeniem na ścinanie (pkt 7.3.5.3). Stosuje się zredukowany przekrój z pkt 7.3.2, a wytrzymałość betonu przyjmuje się w punkcie M. Wytrzymałość strzemion redukuje się na podstawie temperatury w punkcie P, w miejscu przecięcia strzemienia z przekrojem na połowie wysokości środnika. (Zobacz rysunek poniżej) Metody ścinania z EN 1992-1-1 stosuje się następnie do zredukowanego przekroju. W płytach płaskich strzemiona pionowe lub trzpienie uwzględnia się tylko tam, gdzie przecinają kontrolną powierzchnię zniszczenia w zredukowanej geometrii, a skręcanie podlega tej samej logice (pkt 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Elementy, których nośność na ścinanie zależy od wytrzymałości betonu na rozciąganie (pkt 7.3.5.2). Elementy sprężone oraz elementy niezbrojone lub słabo zbrojone wymagają szczególnego uwzględnienia naprężeń rozciągających wywołanych nieliniowym rozkładem temperatury, na przykład w płytach kanałowych i grubych belkach. W pozostałych przypadkach wytrzymałość na rozciąganie pomija się, a gdy jest uwzględniana, jej redukcja wynika ze Wzorów (5.21) i (5.22) (pkt 5.3.1.2).

Nowe wydanie, nowa struktura: gdzie znaleźć potrzebne informacje

Oraz nowe zagadnienia

• Ograniczenie wyboru krajowego – Przedmowa z 2004 roku wymienia szesnaście punktów dopuszczających wybór krajowy. Przedmowa z 2023 roku wymienia trzy punkty. Wyborem krajowym nie są już: zakres przewodności cieplnej, próg wilgotności, graniczny mimośród w Metodzie A, referencyjny poziom obciążenia ηfi oraz decyzja o dopuszczalności stosowania metod zaawansowanych. (2023 0.5; przedmowa 2004, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Metoda A, mimośród – Mimośród I rzędu w warunkach pożaru jest ograniczony do jednej czwartej wymiaru przekroju i jest ustalony w normie. Wartość zalecana w 2004 roku wynosiła 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Faza chłodzenia – Wzory określają wytrzymałość betonu nagrzanego do temperatury maksymalnej i ochłodzonego z powrotem do 20 °C. Tekst z 2004 roku stwierdzał jedynie, że ewentualnego przyrostu wytrzymałości podczas chłodzenia nie należy uwzględniać. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

Podejście IDEA StatiCa: sprawdzenie przekroju dziś i w przyszłości

Co obejmuje RCS

IDEA StatiCa RCS szybko odpowiada na jedno pytanie: czy przekrój spełnia wymagania wynikające z danych tablicowych? Warto to ująć precyzyjnie, ponieważ właśnie tutaj druga generacja normy oddziela metodę tablicową od metod obliczeniowych. Odporność ogniowa w RCS jest dostępna dla płyt, ścian, belek, słupów i słupów smukłych. Funkcjonalność wybiera się w kreatorze projektu jako Fire resistance EN 1992-1-2:2006-11.

• Słupy – Metoda A i Metoda B
• Belki – Wyłącznie przekroje prostokątne, teowe i dwuteowe. Należy rozróżnić belki jednoprzęsłowe i ciągłe, a dla belki ciągłej trzeba ustawić położenie przekroju wzdłuż belki, co ma istotny wpływ na sprawdzenie. Sprawdzane wartości to szerokość środnika oraz odległość od zewnętrznej warstwy zbrojenia do najbliższej powierzchni wystawionej na działanie ognia.
• Płyty – Płyty jednokierunkowo i dwukierunkowo zbrojone, płyta ciągła podparta ścianami oraz płyta ciągła podparta słupami.
• Ściany – Ściany nośne i ściany nienośne

Po co polegać na tablicach, skoro można obliczyć rzeczywistą temperaturę?

Tablice to szybki sposób sprawdzenia odporności ogniowej, ale obejmują tylko określone kształty przekrojów, wymiary, odległości osi zbrojenia i warunki pożarowe. 

Sprawdza się to w nowych projektach, w których można zmienić przekrój, jeśli nie spełnia wymagań. Natomiast w istniejących elementach geometria jest już ustalona, a przekrój, który odbiega od wartości tablicowych zaledwie o kilka milimetrów, nie ma rozwiązania opartego na tablicach.

W takich przypadkach istotne znaczenie ma obliczenie rzeczywistego pola temperatury. Zamiast korzystać z wartości predefiniowanych, można obliczyć, jak ciepło rozchodzi się w rzeczywistym przekroju, i na podstawie tych temperatur sprawdzić jego nośność. Aplikacja Section robi dokładnie to — analizuje rzeczywisty przekrój i układ zbrojenia, a następnie sprawdza jego odporność ogniową na podstawie obliczonych temperatur.

Co wnosi nowa aplikacja Section

Przykład dźwigara dachowego w Section. Sprawdzenie tablicowe daje odpowiedź tak lub nie dla jednej odległości osi zbrojenia. W aplikacji Section ten sam przekrój daje stopień wykorzystania. Aby pokazać, jak metoda zaawansowana wygląda na rzeczywistym elemencie, przeanalizowaliśmy dźwigar dachowy w aplikacji Section (BETA). Sytuację pożarową włącza się w tym samym projekcie co sprawdzenia w temperaturze normalnej, więc nie jest potrzebny drugi model. Efekty obciążenia pożarowego wprowadza się jako osobną grupę, odrębną od efektów SGN i SGU, ponieważ siły wewnętrzne w warunkach pożaru różnią się od sił w temperaturze normalnej.

Modelowany przekrój to prefabrykowany dźwigar dwuteowy o wysokości 1140 mm, z prętami o różnych średnicach i układem zoptymalizowanym pod potrzeby producenta. Klasa odporności ogniowej to R60, krzywa pożarowa to standardowa krzywa pożarowa z EN 1991-1-2, a powierzchnie wystawione na działanie ognia to dolna, lewa i prawa. Użytkownik wybiera narażone strony spośród czterech opcji (górna, dolna, lewa, prawa – patrz rysunki poniżej), a aplikacja wyznacza rzeczywiste krawędzie narażone na ogień, zaznaczone na czerwono, również w narożach wklęsłych, takich jak połączenia środnika z półką. Analizowany jest przekrój środkowy, a jego obciążenie w prezentacji stanowi wyłącznie moment zginający.

Rozkład temperatury – Aplikacja dzieli przekrój na gęstszą siatkę i oblicza pole temperatury w krokach czasowych do 60 minut (w tym przypadku 60 minut, a ogółem do 240 minut). Na mapie cieplnej najgorętsze są spodnia powierzchnia i dolne naroża, a temperatura gwałtownie spada w kierunku środka środnika. Widok danych zawiera temperaturę elementów betonowych oraz każdego pręta z osobna. Na przykład najniższy pręt narożny osiąga 480 °C, podczas gdy pręty w środku górnej półki mają temperaturę prawie równą temperaturze pokojowej. Tablica nie pokazuje takiego zróżnicowania; operuje jedną nominalną odległością osi zbrojenia.

Na podstawie tych temperatur aplikacja wyznacza zredukowane właściwości materiałów, stosując współczynniki redukcyjne dla wytrzymałości betonu, granicy plastyczności i granicy proporcjonalności zbrojenia oraz modułu sprężystości. Wykorzystuje współczynniki redukcyjne z EN 1992-1-2. Mapa współczynników pokazuje, co faktycznie decyduje o wyniku sprawdzenia. W tym dźwigarze najniższy pręt zachowuje 60% granicy plastyczności, a beton w narożach dolnej półki zachowuje około 6% swojej wytrzymałości. Wreszcie aplikacja Section korzysta ze wzorów, co ułatwia analizę wyników. Na przykład sprawdzenie zginania to ta sama odpowiedź konstrukcji co w temperaturze normalnej, ale obliczona teraz z uwzględnieniem zredukowanych wytrzymałości.

Podsumowanie

Niezależnie od tego, czy inżynier czyta drugą generację EN 1992-1-2 samodzielnie, czy zleca pracę oprogramowaniu, punkt wyjścia jest ten sam. Dane tablicowe pozostają szybkim i leżącym po stronie bezpiecznej sprawdzeniem nowych, regularnych elementów. Dla osób analizujących normę opisane powyżej zmiany pokazują, czym zasady z 2023 roku różnią się od wydania z 2004 roku. Gdy wymagania tablic nie są spełnione lub tablice nie mają zastosowania, norma odsyła do zaawansowanych metod obliczeniowych, a aplikacja Section realizuje tę ścieżkę: wyznacza temperaturę każdego pręta i elementu betonowego, stosuje zredukowane właściwości materiałów i zwraca stopień wykorzystania zamiast wyniku „spełnia/nie spełnia”. Ponieważ odzwierciedla rzeczywiste zachowanie przekroju, stanowi wygodną, szybką i precyzyjną alternatywę dla metody tablicowej.