Proiectarea la foc a betonului în a doua generație a Eurocode 2

Mai întâi, vom analiza noua ediție, pentru a o putea aborda cu încredere. Apoi vom aplica a doua variantă în practică, pe o grindă prefabricată reală, arătând cât de ușor poate fi automatizat procesul. (Numerele clauzelor se referă la EN 1992-1-2:2023, cu excepția celor marcate cu 2004.)

Ce s-a schimbat în standarde - Rezistența la foc

1. Tabelele se păstrează, dar regulile din jurul lor devin mai stricte.

Datele tabelare rămân calea rapidă și conservatoare, în timp ce metodele de calcul sunt destinate elementelor pe care tabelele nu le acoperă. Ediția 2023 păstrează această abordare, dar clarifică limitele: rezultatele tabelare sunt considerate, în general, în favoarea siguranței față de încercări și față de metodele simplificate sau avansate, iar extrapolarea în afara domeniului specificat nu este permisă (cl. 6.1(2)).

Scopul este, de asemenea, ca cele trei abordări să funcționeze împreună mai coerent. Prefața confirmă că prevederile tabelare au fost actualizate pentru a corela metodele tabelare, simplificate și avansate.

La ce sunt calibrate tabelele?

Dimensiunile minime din tabele se bazează pe ipoteze fixe. Principalele valori de referință rămân în mare parte neschimbate:

• ηfi = 0,7 — nivelul de încărcare de referință (2004, cl. 5.2(3); 2023, cl. 6.2(1)).
• 500 °C — temperatura critică a armăturii pentru elementele simplu rezemate solicitate la încovoiere, corespunzătoare la aproximativ 0,60 fyk pentru ηfi = 0,7 și γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, cl. 6.2(3), Nota 1).

Există totuși două modificări notabile:

1. Conductivitatea termică: ediția 2004 permitea utilizarea datelor pe întregul domeniu admis al conductivității termice. Ediția 2023 oferă o singură funcție a conductivității termice.
2. ηfi: în 2004, o Anexă Națională putea modifica această valoare (2004, 5.2(3), Notă). În 2023, ηfi = 0,7 este fixat în cl. 6.2(1).

Aceeași clauză impune, de asemenea, corectarea datelor tabelare atunci când ipotezele de bază nu sunt aplicabile și exclude utilizarea lor în cazul în care factorii de material au fost modificați conform Anexei A din EN 1992-1-1.

2. Conținutul de umiditate nu mai este doar un procent – el face acum parte din procesul de decizie.

Principiul de bază rămâne același în ambele ediții: exfolierea severă trebuie evitată sau efectul ei asupra performanței trebuie luat în considerare.

Dar modul în care este tratată umiditatea s-a schimbat:

• 2004: exfolierea explozivă era legată de un prag de umiditate exprimat ca procent din masă, cu valoarea recomandată stabilită prin Anexa Națională.
• 2023: procentul fix a fost eliminat. Conținutul de umiditate este acum considerat împreună cu alți factori care pot influența exfolierea, inclusiv expunerea, încărcarea, împiedicarea deformațiilor, geometria, agregatul, adaosurile, conținutul de aer, fibrele, permeabilitatea și rezistența.

Ediția 2023 introduce, de asemenea, un tabel de decizie (Tabelul 10.1). Acesta corelează evaluarea cu patru date de intrare esențiale: durata de rezistență la foc, condiția de umiditate, rezistența betonului și conținutul de silice ultrafină.

Cu alte cuvinte, umiditatea nu mai este o singură valoare de verificat, ci o componentă a unei evaluări mai ample a exfolierii.

3. Izoterma de 500 °C a dispărut, iar graficele de temperatură lasă locul formulelor.

Ediția 2004 oferea două metode cu secțiune transversală redusă în Anexa B informativă: metoda izotermei de 500 °C și metoda zonelor (2004, 4.2.3, B.1.1(3) până la (4), B.2(3)). Textul din 2023 nu conține metoda izotermei de 500 °C, iar clauza 7.3.2 folosește exclusiv logica metodei zonelor.

De ce se modifică rezultatele prin Partea 1-1 – EN 1992-1-2 este redactat ca un supliment al proiectării la temperatură normală. Standardul identifică diferențele față de EN 1992-1-1 sau completările la acesta și citează ediția 2023 a acelui standard ca referință normativă datată (cl. 1.1(1)).

Această legătură este deosebit de clară în verificarea simplificată la încovoiere:

• MRd,fi este valabil, cu excepția cazului în care As,prov/As,req > 1,3 (cl. 7.3.3.2, Formula 7.18).
• Atât MEd, cât și As,req provin din EN 1992-1-1.
• Metoda din 2023 face media rezistenței reduse la temperatură pentru fiecare bară întinsă în parte.

Ce alte modificări au apărut?

EN 1992-1-1 în sine s-a schimbat. A doua generație aduce reguli revizuite pentru forfecare și torsiune, un domeniu de aplicare extins, care include podurile, structurile pentru reținerea lichidelor și structurile de izolare, consolidarea cu CFRP și betonul armat cu fibre de oțel, precum și anexe noi pentru evaluarea și consolidarea structurilor existente.

Forfecarea și torsiunea trec dintr-o anexă informativă în textul principal. În 2004, metoda de calcul pentru forfecare, torsiune și ancoraj se afla în Anexa D informativă, care preciza că cedările la forfecare cauzate de foc sunt foarte rare și că metodele prezentate nu erau complet verificate (2004, Anexa D). Ediția 2023 plasează forfecarea și torsiunea în clauza 7.3.5, în cadrul metodelor simplificate de calcul, și mută ancorajul în regulile de detaliere, unde lungimile de ancoraj și de suprapunere în situația de incendiu pot fi considerate egale cu cele la temperatura ambiantă (cl. 9.2(1)).

Calea tabelară rămâne neschimbată sub acest aspect. Atunci când se respectă dimensiunile minime din clauza 6, verificările suplimentare pentru forfecare, torsiune și ancoraj pot fi omise (cl. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). Modificarea privește elementele verificate prin calcul. Clauza 7.3.5 separă două cazuri:

• Elemente cu armătură de forfecare (cl. 7.3.5.3). Se aplică secțiunea redusă conform cl. 7.3.2, iar rezistența betonului se consideră în punctul M. Rezistența etrierilor este redusă folosind temperatura din punctul P, intersecția etrierului cu secțiunea la jumătatea înălțimii inimii. (Vezi imaginea de mai jos) Metodele de forfecare din EN 1992-1-1 se aplică apoi secțiunii reduse. În plăcile plane, etrierii verticali sau dornurile se iau în considerare doar acolo unde intersectează suprafața de control la cedare în geometria redusă, iar torsiunea urmează aceeași logică (cl. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Elemente a căror rezistență la forfecare depinde de rezistența la întindere a betonului (cl. 7.3.5.2). Elementele precomprimate și elementele din beton simplu sau slab armate necesită o analiză specială a tensiunilor de întindere cauzate de distribuțiile neliniare ale temperaturii, de exemplu în plăcile cu goluri și în grinzile groase. În rest, rezistența la întindere este neglijată, iar atunci când este utilizată, reducerea urmează Formulele (5.21) și (5.22) (cl. 5.3.1.2).

Ediție nouă, structură nouă: unde găsiți ce vă trebuie

Și apoi vin elementele noi

• Opțiuni naționale reduse – Prefața din 2004 enumeră șaisprezece clauze care permit opțiuni naționale. Prefața din 2023 enumeră trei clauze. Nu mai sunt opțiuni naționale: domeniul conductivității, pragul de umiditate, limita de excentricitate a Metodei A, nivelul de încărcare de referință ηfi și decizia privind posibilitatea utilizării metodelor avansate. (2023 0.5; 2004 prefață, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Metoda A, excentricitate – Excentricitatea de ordinul întâi în situația de incendiu este limitată la un sfert din dimensiunea secțiunii și este fixată în standard. Valoarea recomandată în 2004 era 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Faza de răcire – Formulele dau rezistența betonului încălzit până la o temperatură maximă și răcit înapoi la 20 °C. Textul din 2004 preciza doar că o eventuală creștere a rezistenței în timpul răcirii nu trebuie luată în considerare. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

Abordarea IDEA StatiCa: verificarea secțiunii astăzi și în viitor

Ce acoperă RCS

IDEA StatiCa RCS răspunde rapid la o întrebare: respectă o secțiune datele tabelare? Merită să precizăm exact această limită, deoarece aici a doua generație separă calea tabelară de căile de calcul. Rezistența la foc în RCS este disponibilă pentru plăci, pereți, grinzi, stâlpi și stâlpi zvelți. Funcționalitatea se selectează în asistentul de proiect ca Rezistența la foc EN 1992-1-2:2006-11.

• Stâlpi – Metoda A și Metoda B
• Grinzi – Doar secțiuni dreptunghiulare, în T și în I. Grinzile cu o singură deschidere trebuie deosebite de cele continue, iar pentru o grindă continuă trebuie stabilită poziția secțiunii de-a lungul grinzii, ceea ce influențează semnificativ verificarea. Valorile verificate sunt lățimea inimii și distanța de la stratul exterior de armătură până la cea mai apropiată suprafață expusă.
• Plăci – Plăci pe o direcție și pe două direcții, o placă continuă rezemată pe pereți și o placă continuă rezemată pe stâlpi.
• Pereți – Pereți portanți și pereți neportanți

De ce să ne bazăm pe tabele, când putem calcula temperatura reală?

Tabelele sunt o modalitate rapidă de a verifica rezistența la foc, dar acoperă doar anumite forme de secțiune, dimensiuni, distanțe axiale și condiții de foc. 

Aceasta funcționează pentru proiectele noi, unde se poate modifica secțiunea dacă aceasta nu satisface verificarea. Însă pentru elementele existente geometria este deja fixată, iar o secțiune care se abate de la tabel cu doar câțiva milimetri nu are nicio soluție bazată pe tabele.

Aici face diferența calculul câmpului real de temperatură. În loc să se bazeze pe valori predefinite, se poate calcula modul în care căldura se propagă prin secțiunea reală, iar aceste temperaturi se folosesc pentru verificarea capacității portante. Aplicația Section face exact acest lucru: analizează secțiunea reală și dispunerea armăturii, apoi verifică rezistența la foc pe baza temperaturilor calculate.

Ce adaugă noua aplicație Section

Vedeți un exemplu de grindă de acoperiș în Section. O verificare cu tabele oferă un răspuns de tip da sau nu pentru o singură distanță axială. Cu aplicația Section, aceeași secțiune returnează un grad de utilizare. Pentru a vedea cum arată metoda avansată pe un element real, am analizat o grindă de acoperiș cu aplicația Section (BETA). Situația de incendiu se activează în același proiect cu verificările la temperatura normală, deci nu este nevoie de un al doilea model. Încărcările în situația de incendiu se introduc ca un grup separat, distinct de efectele SLU și SLS, deoarece eforturile secționale la foc diferă de cele la temperatura normală.

Secțiunea modelată este o grindă prefabricată în I, cu înălțimea de 1140 mm, cu mai multe diametre de bare și o dispunere optimizată pentru nevoile producătorului. Clasa de rezistență la foc este R60; curba de foc este curba de foc standard din EN 1991-1-2; iar laturile expuse la foc sunt cea inferioară, cea stângă și cea dreaptă. Utilizatorul alege laturile expuse dintre patru opțiuni (sus, jos, stânga, dreapta – vezi imaginile de mai jos), iar aplicația determină muchiile expuse efectiv, desenate cu roșu, inclusiv în colțurile intrânde, cum sunt îmbinările dintre inimă și talpă. Secțiunea este cea de la mijlocul deschiderii, iar încărcarea ei în exemplul prezentat constă doar în moment încovoietor.

Distribuția temperaturii – Aplicația discretizează secțiunea cu o plasă mai fină și calculează câmpul de temperatură în pași de timp de până la 60 de minute (60 de minute în acest caz, până la 240 de minute în total). În harta termică, fața inferioară și colțurile de jos sunt cele mai fierbinți, iar temperatura scade abrupt spre centrul inimii. Vizualizarea datelor listează temperatura elementelor de beton și a fiecărei bare în parte. De exemplu, bara de colț cea mai de jos atinge 480 °C, în timp ce barele de la mijlocul tălpii superioare sunt aproape la temperatura camerei. Un tabel nu poate arăta această variație; el lucrează cu o singură distanță axială nominală.

Pornind de la aceste temperaturi, aplicația determină proprietățile reduse ale materialelor, folosind factori de reducere pentru rezistența betonului, pentru limita de curgere și limita de proporționalitate ale armăturii și pentru modulul de elasticitate. Se utilizează factorii de reducere din EN 1992-1-2. Harta factorilor arată ce anume guvernează verificarea. În această grindă, bara cea mai de jos păstrează 60% din rezistența la curgere, iar betonul din colțurile tălpii inferioare păstrează aproximativ 6% din rezistență. Nu în ultimul rând, aplicația Section folosește formule pentru a facilita interpretarea rezultatelor. De exemplu, verificarea la încovoiere este același răspuns ca la temperatura normală, evaluat acum cu rezistențele reduse.

Concluzie

Indiferent dacă un inginer citește direct a doua generație a EN 1992-1-2 sau lasă software-ul să facă munca, punctul de plecare este același. Datele tabelare rămân verificarea rapidă și în favoarea siguranței pentru elementele noi și regulate. Pentru cei care lucrează direct cu standardul, modificările prezentate mai sus arată unde diferă regulile din 2023 de ediția 2004. Atunci când tabelul nu este satisfăcut sau nu se aplică, standardul trimite la metode avansate de calcul, iar aplicația Section parcurge această cale: determină temperatura fiecărei bare și a fiecărui element de beton, aplică proprietățile reduse ale materialelor și returnează un grad de utilizare în locul unui rezultat de tip admis/respins. Deoarece reflectă comportamentul real al secțiunii, reprezintă o alternativă comodă, rapidă și precisă la calea tabelară.