Projektowanie betonowych elementów na wypadek pożaru według drugiej generacji Eurokodu 2

Najpierw omówimy nowe wydanie normy, abyś mógł z pewnością się nim posługiwać. Następnie zastosujemy drugą opcję w praktyce na rzeczywistym prefabrykowanym dźwigarze, pokazując, jak łatwo można zautomatyzować ten proces. (Numery punktów odnoszą się do EN 1992-1-2:2023, chyba że zaznaczono rok 2004).

Co zmieniło się w normach – odporność ogniowa

1. Tablice pozostają – ale zasady ich stosowania są bardziej rygorystyczne.

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

Celem jest również bardziej spójne współdziałanie trzech podejść. W przedmowie potwierdzono, że przepisy dotyczące danych tablicowych zaktualizowano, aby dostosować metodę tablicową, uproszczoną i zaawansowaną.

Do czego skalibrowano tablice?

Minimalne wymiary podane w tablicach opierają się na stałych założeniach. Kluczowe wartości odniesienia pozostały w dużej mierze bez zmian:

• ηfi = 0,7 — referencyjny poziom obciążenia (2004, pkt 5.2(3); 2023, pkt 6.2(1)).
• 500 °C — krytyczna temperatura zbrojenia swobodnie podpartych elementów 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 zmodyfikować tę wartość (2004, 5.2(3), Uwaga). W 2023 roku ηfi = 0,7 jest wartością stałą zgodnie z pkt 6.2(1).

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

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

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

Zmienił się jednak sposób traktowania wilgotności:

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

Wydanie z 2023 roku wprowadza również dedykowaną tabelę decyzyjną (Tabela 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 — jest jednym z elementów szerszej oceny odpryskiwania.

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

Wydanie z 2004 roku oferowało dwie metody zredukowanego przekroju poprzecznego w informacyjnym Załączniku B: metodę izotermy 500 °C oraz 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 przez Część 1-1 – EN 1992-1-2 jest napisana jako uzupełnienie projektowania w temperaturze normalnej. Wskazuje różnice względem EN 1992-1-1 lub uzupełnienia do niej i przywołuje wydanie tej normy z 2023 roku jako datowane odniesienie normatywne (pkt 1.1(1)).

Związek ten jest szczególnie widoczny w uproszczonym sprawdzeniu zginania:

• MRd,fi jest ważny, o ile nie zachodzi 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?

Sama norma EN 1992-1-1 uległa zmianom. Druga generacja wprowadza zmienione zasady dotyczące ścinania i skręcania, szerszy zakres obejmujący mosty, konstrukcje zbiorników na ciecze i obudowy zabezpieczające, wzmacnianie przy użyciu 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 spowodowane pożarem 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 obliczeniowych, a zakotwienie przenosi do zasad konstruowania, gdzie długości zakotwienia i zakładu w warunkach pożaru mogą być przyjmowane jako równe wartościom w temperaturze normalnej (pkt 9.2(1)).

Droga tablicowa pozostaje pod tym względem niezmieniona. Gdy spełnione 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. Pkt 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 jest redukowana na podstawie temperatury w punkcie P, czyli w miejscu przecięcia strzemienia z przekrojem na połowie wysokości środnika. (Patrz rysunek poniżej) Metody ścinania z EN 1992-1-1 stosuje się następnie do zredukowanego przekroju. W płytach bezbelkowych 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 z betonu niezbrojonego lub słabo zbrojone wymagają szczególnego uwzględnienia naprężeń rozciągających wywołanych nieliniowym rozkładem temperatury, na przykład w płytach z pustkami i grubych belkach. Poza tym wytrzymałość na rozciąganie jest pomijana, a tam, gdzie się ją stosuje, redukcję określają wzory (5.21) i (5.22) (pkt 5.3.1.2).

Nowe wydanie, nowa struktura: gdzie znaleźć potrzebne informacje

A teraz nowości

• Ograniczenie wyboru krajowego – Przedmowa z 2004 roku wymienia szesnaście punktów otwartych na wybór krajowy. Przedmowa z 2023 roku wymienia trzy punkty. Nie podlegają już wyborowi krajowemu: zakres przewodności cieplnej, próg wilgotności, graniczna wartość mimośrodu w metodzie A, referencyjny poziom obciążenia ηfi oraz decyzja o dopuszczeniu 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 pierwszego rzędu w warunkach pożaru jest ograniczony do jednej czwartej wymiaru przekroju i jest ustalony w normie. Zalecana wartość w wydaniu z 2004 roku wynosiła 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Faza stygnięcia – Wzory określają wytrzymałość betonu nagrzanego do temperatury maksymalnej i ostudzonego z powrotem do 20 °C. Tekst z 2004 roku stwierdzał jedynie, że ewentualnego przyrostu wytrzymałości podczas stygnięcia 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 application szybko odpowiada na jedno pytanie: czy przekrój spełnia wymagania danych tablicowych? Warto precyzyjnie określić tę granicę, ponieważ właśnie tu 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 Odporność ogniowa 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 określić 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 na ścianach oraz płyta ciągła podparta na słupach.
• Ściany – Ściany nośne i ściany nienośne

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

Tablice stanowią szybki sposób sprawdzenia odporności ogniowej, ale obejmują tylko określone kształty przekrojów, wymiary, odległości osiowe i warunki pożaru. 

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

Właśnie tu obliczenie rzeczywistego pola temperatury robi różnicę. Zamiast polegać na wartościach zdefiniowanych z góry, 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

Zobacz przykład dźwigara dachowego w Section. Sprawdzenie tablicowe daje odpowiedź tak lub nie dla jednej odległości osiowej. Dla tego samego przekroju aplikacja Section zwraca stopień wykorzystania. Aby zobaczyć, jak metoda zaawansowana wygląda na rzeczywistym elemencie, przeanalizowaliśmy dźwigar dachowy w aplikacji Section (BETA). Sytuację pożarową włącza się w tym samym projekcie, w którym wykonuje się sprawdzenia w temperaturze normalnej, więc nie ma potrzeby tworzenia drugiego modelu. Efekty obciążenia pożarowego wprowadza się jako odrębną grupę, niezależną 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 zbrojenia zoptymalizowanym pod kątem potrzeb producenta. Klasa odporności ogniowej to R60, krzywa pożaru to standardowa krzywa pożaru wg EN 1991-1-2, a powierzchnie wystawione na działanie ognia to dół, lewa i prawa strona. Użytkownik wybiera wystawione strony spośród czterech opcji (góra, dół, lewa, prawa – patrz rysunki poniżej), a aplikacja wyznacza rzeczywiste krawędzie wystawione na działanie ognia, zaznaczone na czerwono, także w narożnikach wklęsłych, takich jak połączenia środnika z półką. Analizowany przekrój to przekrój środkowy, a w pokazowym przykładzie jest obciążony wyłącznie momentem zginającym.

Rozkład temperatury – Aplikacja dzieli przekrój na gęstszą siatkę i oblicza pole temperatury w krokach czasowych do 60 minut (w tym przypadku 60 minut, a maksymalnie do 240 minut). Na mapie cieplnej najgorętsze są spód przekroju i dolne narożniki, a temperatura gwałtownie spada w kierunku środka środnika. Widok danych zawiera temperaturę elementów betonowych oraz każdego pojedynczego pręta. Na przykład pręt w najniższym narożniku osiąga 480 °C, podczas gdy pręty pośrodku górnej półki mają temperaturę niemal pokojową. Tablica nie pokaże takiego rozrzutu, ponieważ operuje jedną nominalną odległością osiową.

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% swojej granicy plastyczności, a beton w narożnikach dolnej półki zachowuje około 6% swojej wytrzymałości. Wreszcie aplikacja Section korzysta ze wzorów, aby ułatwić nawigację po wynikach. Na przykład sprawdzenie zginania odpowiada sprawdzeniu w temperaturze normalnej, tyle że jest teraz wykonywane ze zredukowanymi wytrzymałościami.

Podsumowanie

Niezależnie od tego, czy inżynier czyta drugą generację normy EN 1992-1-2 bezpośrednio, czy pozwala oprogramowaniu wykonać pracę, punkt wyjścia jest ten sam. Dane tablicowe pozostają szybkim sprawdzeniem po stronie bezpiecznej dla nowych, regularnych elementów. Dla osób pracujących z normą omówione powyżej zmiany pokazują, czym przepisy z 2023 roku różnią się od wydania z 2004 roku. Gdy tablica nie jest spełniona lub nie ma zastosowania, norma wskazuje zaawansowane metody obliczeniowe, a aplikacja Section realizuje właśnie tę drogę: 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.