Dimensionarea la foc a betonului în generația a 2-a a Eurocode 2

Mai întâi, prezentăm noua ediție, pentru a o putea aborda cu încredere. Apoi aplicăm a doua opțiune pe o grindă prefabricată reală și arătăm cât de ușor poate fi automatizat procesul. (Numerele articolelor se referă la EN 1992-1-2:2023, cu excepția celor marcate 2004.)

Ce s-a schimbat în standarde - Rezistența la foc

1. Tabelele se păstrează, dar regulile care le însoțesc devin mai stricte.

Datele tabelare rămân calea rapidă și conservativă, iar 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 de partea 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 circa 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 importante:

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), Nota). În 2023, ηfi = 0,7 este fixat în cl. 6.2(1).

Același articol cere, de asemenea, corectarea datelor tabelare atunci când ipotezele de bază nu se aplică și exclude utilizarea lor atunci când factorii de material au fost modificați conform Anexei A din EN 1992-1-1.

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

Principiul de bază rămâne același în ambele ediții: desprinderea severă a betonului (spalling) trebuie evitată sau efectul ei asupra performanței trebuie luat în considerare.

Modul de tratare a umidității s-a schimbat însă:

• 2004: spalling-ul exploziv era corelat cu un prag de umiditate exprimat ca procent din masă, valoarea recomandată fiind stabilită prin Anexa Națională.
• 2023: procentul fix a dispărut. Conținutul de umiditate este acum considerat împreună cu alți factori care pot influența spalling-ul, inclusiv expunerea, încărcarea, constrângerea, geometria, agregatele, 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 principale: durata de rezistență la foc, starea de umiditate, rezistența betonului și conținutul de fum de silice.

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

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

Ediția 2004 oferea două metode cu secțiune transversală redusă în Anexa informativă B: 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 articolul 7.3.2 utilizează numai logica metodei zonelor.

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

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

• MRd,fi este valabil dacă nu se depășește As,prov/As,req > 1,3 (cl. 7.3.3.2, Relația 7.18).
• Atât MEd, cât și As,req provin din EN 1992-1-1.
• Metoda din 2023 face media rezistenței reduse în funcție de temperatură pe barele întinse individuale.

Ce altceva s-a schimbat?

EN 1992-1-1 în sine s-a modificat. A doua generație aduce reguli revizuite pentru forfecare și torsiune, un domeniu de aplicare extins, care cuprinde poduri, structuri pentru stocarea lichidelor și structuri de retenție, 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 informativă D, care preciza că cedările la forfecare cauzate de foc sunt foarte rare și că metodele prezentate nu erau verificate complet (2004, Anexa D). Ediția 2023 plasează forfecarea și torsiunea în articolul 7.3.5, în cadrul metodelor simplificate de calcul, și mută ancorajul în regulile de detaliere, unde lungimile de ancoraj și de petrecere la foc 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 articolul 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. Articolul 7.3.5 distinge două cazuri:

• Elemente cu armătură transversală (cl. 7.3.5.3). Se aplică secțiunea redusă conform cl. 7.3.2, iar rezistența betonului se consideră în punctul M. Rezistența etrierilor se reduce utilizând temperatura din punctul P, la 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 numai acolo unde intersectează suprafața critică de 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 cele 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 ignorată, iar acolo unde este utilizată, reducerea urmează Relațiile (5.21) și (5.22) (cl. 5.3.1.2).

Ediție nouă, structură nouă: unde găsiți ce vă trebuie

Și apoi, noutățile

• Opțiuni naționale reduse – Prefața din 2004 enumeră șaisprezece articole deschise opțiunilor naționale. Prefața din 2023 enumeră trei articole. Nu mai sunt opțiuni naționale: domeniul conductivității, pragul de umiditate, limita excentricității pentru Metoda A, nivelul de încărcare de referință ηfi și decizia privind utilizarea metodelor avansate. (2023 0.5; 2004 prefață, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Metoda A, excentricitatea – Excentricitatea de ordinul întâi la foc 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 furnizează 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 în prezent și în viitor

Ce acoperă RCS

IDEA StatiCa RCS – aplicația răspunde rapid la o singură întrebare: satisface secțiunea datele tabelare? Această limită merită precizată exact, deoarece aici a doua generație de standarde 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 expertul de proiect ca Rezistența la foc EN 1992-1-2:2006-11.

• Stâlpi – Metoda A și Metoda B
• Grinzi – Numai secțiuni dreptunghiulare, în T și în I. Trebuie făcută distincția între grinzile cu o singură deschidere și 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 armate 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 reprezintă o modalitate rapidă de verificare a rezistenței la foc, dar acoperă doar anumite forme de secțiune, dimensiuni, distanțe la axul armăturii și condiții de incendiu. 

Acest lucru este suficient pentru proiectele noi, în care secțiunea poate fi ajustată dacă nu satisface verificarea. În schimb, pentru elementele existente, geometria este deja fixată, iar o secțiune care nu se încadrează în tabel cu doar câțiva milimetri nu are o soluție bazată pe tabele.

Aici face diferența calculul câmpului real de temperatură. În loc să utilizați valori predefinite, puteți calcula modul în care se propagă căldura prin secțiunea reală și puteți folosi aceste temperaturi pentru a-i verifica capacitatea portantă. Aplicația Section face exact acest lucru: analizează secțiunea reală și dispunerea armăturii, apoi verifică rezistența la foc pe baza temperaturilor calculate.

Ce aduce în plus noua aplicație Section

Vedeți un exemplu de grindă de acoperiș în Section. O verificare cu tabele oferă un răspuns da sau nu pentru o singură distanță la axul armăturii. În 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 în 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 la foc se introduc ca un grup separat, distinct de încărcările SLU și SLS, deoarece eforturile interioare în caz de incendiu 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 conform cerințelor producătorului. Clasa de rezistență la foc este R60; curba de foc este curba standard de foc din EN 1991-1-2; iar fețele expuse la foc sunt cea inferioară, cea stângă și cea dreaptă. Utilizatorul alege fețele expuse dintre patru opțiuni (sus, jos, stânga, dreapta – vezi imaginile de mai jos), iar aplicația determină muchiile expuse reale, desenate în roșu, inclusiv în colțurile intrânde, cum sunt zonele de racordare inimă-talpă. Secțiunea este secțiunea de la mijlocul deschiderii, iar încărcarea ei în exemplu este numai cu moment încovoietor.

Distribuția temperaturii – Aplicația discretizează secțiunea cu o plasă de elemente finite 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 inferioare 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 joasă 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 nominală la axul armăturii.

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

Concluzie

Indiferent dacă un inginer citește direct a doua generație a standardului EN 1992-1-2 sau lasă software-ul să facă munca, punctul de plecare este același. Datele tabelare rămân verificarea rapidă și de partea siguranței pentru elementele noi și regulate. Pentru cei care parcurg 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 indică metodele 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.