Másodlagos tartószerkezeti elemek tűzvédelmi megoldásai

Szerző: Szakál Regina tartószerkezeti tervező, tűzvédelmi szakmérnök, Mercor Dunamenti Zrt.

 

A másodlagos tartószerkezetek tűzvédelme több szempontból is bonyolult. Csak a statikai szempontokat figyelembe véve, vékonyfalú mivoltuk miatt jellemzően 4. keresztmetszeti osztályba tartoznak, ami speciális tervezési eljárásokat von maga után. Effektív keresztmetszeti jellemzők számítása szükséges, amelynél a nyomott, lokális horpadásra veszélyes zónákat kivonjuk a teherbíró keresztmetszetből. A szerkezeti acél tulajdonságai megváltoznak a hőmérséklet emelkedésével, mind folyáshatára, mind rugalmassági modulusa csökken. Vékonyfalú, 4. osztályú keresztmetszetekre az EC3-1-2 Annex E vonatkozik, eszerint a folyáshatár k_y,Θ csökkentő tényezőjét speciálisan az E1. táblázatból (2. ábra), míg a rugalmassági modulus csökkentő tényezőjét a magasabb keresztmetszeti osztályú szelvényekével azonos módon, a 3.1 táblázat alapján kell felvenni. Tűzvédelmi szempontból a tűzállósági követelmény kielégítése miatt is bonyolultak, ugyanis rendkívül magas profiltényezőjük van. Például egy Z200/2,0 szelemen profilnak 1000 1/m a szelvénytényezője. Azonban a hőre habosodó tűzvédelmi festékek MSZ EN 13381-8 szabvány szerint 400 1/m-es szelvénytényezőig bevizsgáltak. Fontos megjegyezni, hogy ezekből a vizsgálati táblázatokból extrapolációval nem alkothatók a táblázaton kívül eső rétegvastagság értékek. Tehát amennyiben tűzállósági követelmény vonatkozik rájuk, a szakma kellemetlen feladat előtt áll. Ezt időnként még fokozza, hogy normál hőmérsékleten kedvezően működő kikönyöklésekkel a szelemenek is be vannak vonva a főtartó gerenda állékonyságába. Nagymértékben csökkenthető a nyomott öv megtámasztásával a főtartó gerenda mérete, ugyanis a jellemző tönkremeneteli formája a kifordulási stabilitásvesztés, amelyben a kifordulási hossz csökkenthető a kikönyöklésekkel.

 

1. ábra Főtartó gerenda, kikönyöklő elem és szelemen kapcsolata

Azonban a kikönyöklés is általában vékonyfalú, tehát tűzvédelmi szempontból nehezen védhető szelvényből készül, például egy szögacélból. Emellett ilyen esetekben a szelemen elődleges tartószerkezeti szerepben működik, tehát ugyanolyan követelmények vonatkoznak rá, mint a főtartó rendszerre, tehát gyakran 30 perces vagy akár ennél magasabb tűzállósági követelmény is előfordulhat. Azokban az esetekben, amikor 30 perces állékonysági követelmény biztosítása a cél, megnő a tervezési szemlélet fontossága, ugyanis fontos lenne ezt már a koncepcionális tervezés során figyelembe venni és tűzvédelmi szempontból sokkal kedvezőbb kisméretű, melegen hengerelt I-profilokat alkalmazni, amelyeknek a tűzvédelmi bevonata viszonylag vékony rétegben, gazdaságosan biztosítható.

Ha ez nem valósult meg a tervezés során, akkor más szemlélet alkalmazása szükséges. Elképzelhető például, hogy más statikai vázat feltételezünk normál hőmérsékleten és más tartószerkezeti működést tűzhatásra. Az eredeti koncepció szerint működik a szerkezet normál körülmények között, míg tűz esetén a kikönyöklő elemek védelem nélkül gyorsan felmelegedés után tönkremennek, és nem játszanak már szerepet a teherbírásban, így a szelemenhez kapcsolódásuk és megtámasztó hatásuk nincs figyelembe véve. Így a rendkívüli teherkombinációból keletkező igénybevételeket a főtartó nagyobb oldalirányú megtámasztásokkal hordja, tehát alacsonyabb hőmérsékletig engedhető a felmelegedése, azaz alacsonyabb kritikus hőmérsékletre szükséges védeni, így vastagabb hőszigetelő réteg alkalmazása lesz előírva. Azonban a gyakorlat azt mutatja, hogy gazdaságossági szempontból, és nem utolsó sorban szakmai szempontból így is kedvezőbb, mint a szelemenek tűzvédő bevonattal való ellátása.

Másik követelményi eset lehet, amikor másodlagos szerkezetként működik a szelemen rendszer, mint a tetőfedést tartó szerkezet, ezekben az esetekben esetenként csak 15 perces tűzállósági követelmény biztosítása szükséges, amely számítással igazolható és így a tűzvédő bevonat alkalmazása elhagyható. Az igazolás alapja, hogy a felmelegedés és megnyúlás hatására megszűnik a szelemengerenda nyomási teherbírása és kötélként, csak húzási teherbírással működik tovább. Ebben az esetben a teljes keresztmetszet ellenállása figyelembe vehető húzásra, illetve a kapcsolatok, azaz az átfedések és a tartóbak rögzítő kapcsolatainak magas hőmérsékleti vizsgálata szükséges. Ezt a számítási módszert a CTICM francia acélszerkezetekre specializálódott tudományos intézet (Centre Technique Industriel de la Construction Métallique) publikálta az Eurocode megfelelő tűzzel foglalkozó részeit alapul véve [2; 3]. A számítási módszer már feltételezi, hogy a szabványos ISO834 zárttéri tűzgörbének a hőmérsékleti felfutásának következtében a tartószerkezeti célra alkalmazott vékonyfalú C- és Z-profilok 15 perc alatt 720-730 ^oC-ra melegszenek fel, amelynek hatására a folyáshatár 11%-ra, a rugalmassági modulus 12%-ra csökken (2. ábra).

2. ábra táblázat: Szénacélok cs; [3]

 

ahol:
q_fi,Ed – a rendkívüli teherkombinációból számított szelemenre ható vonalmenti teher;
A_{g –} a szelvény teljes keresztmetszeti területe;
f_{y –} szelemen anyagának folyáshatára 20^oC-on;
L – szelemen főtartók között fesztávja.

 

A tartóbakkal való kapcsolatnál és az átfedéseknél is a meglágyult anyag palástnyomási vizsgálata, a húzási ellenállás vizsgálata a csavarlyukakkal gyengített keresztmetszetben és a csavar nyírási ellenállás vizsgálata végzendő el az alábbiak szerint.

 

3. ábra Átfedés és tartóbak kapcsolata Z-szelemen esetében; [1]

 

Tartóbak és szelemen kapcsolatának ellenőrzése:

 

ahol:

f_{ub –} a csavar anyagának szakítószilárdsága;

f_{y –} szelemen anyagának folyáshatára 20^oC-on;
n – csavarok darabszáma a kapcsolatban;
d – csavarátmérő;
t – tartóbak lemezének vastagsága;
r – csavarok teljes darabszámának és az egy keresztmetszetben lévő csavaroknak az aránya;
α_b=min(1; e₁/(3d)), ahol e₁ a szélső csavar tengelyének távolsága a szelemen szélétől;

 

 

4. ábra Csavarkép jelölései; [1]

β_b=0,5 a 6.8-as anyagminőségű csavarok esetében; 0,6 a 8.8-as anyagminőségű csavarok esetében;
β_Lf=1-(l-15d)/200d         csavarkapcsolati jellemző;
k_t=(0,8 t+1,5)/2,5           amikor 0,75 mm ≤ t ≤ 1,25 mm, és k_t=1 amikor t > 1,25 mm;
A_net              csavarlyukkal gyengített szelvény keresztmetszeti területe;
A_b                csavarok nyírt keresztmetszeti területe;
ξ₁                táblázatos érték, amely az összekapcsolt elemek felmelegedésének mértékétől függ, tehát az összekapcsolt elemek lemezvastagságától

 

Az átfedés kapcsolata:

 

ahol:

β₂=0,4              ha p₁≤2,5d₀
β₂=0,47 ha p₁≤5d₀
d₀         csavarlyuk átmérője.

 

A fenti számítások a gyakorlatban azt eredményezik, hogy gyakran a szelemenek 15 perces tűzállósága igazolható tűzvédelmi bevonat nélkül is. Azonban magasabb követelmény egyértelműen nem validálható a vékonyfalú Z- és C-szelvényekre. Tervezési fázisban az épület funkciója, kockázati besorolása függvényében érdemes szem előtt tartani az így kialakuló tűzvédelmi követelményt a különböző szerkezeti elemekre. Emiatt is fontos, hogy a tűzvédelmi szemlélet, koncepció minél hamarabb bekapcsolódjon a szerkezeti tervezésbe, hogy a megfelelően védhető profilok kerüljenek beépítésre, amelyek gazdaságos és szakszerű megoldást eredményeznek.

 

Felhasznált szakirodalom:

[1] Christophe RENAUD, Seddik SAKJI: Ossatures en acier, Méthode de justification d’une stabilité au feu de ¼ heure (R15), CTICM; SRI-09/17c-CR-MSS/PB, 2009.

[2] MSZ EN 1991-1-2: A tartószerkezeteket érő hatások. Általános hatások. A tűznek kitett szerkezeteket érő hatások.

[3] MSZ EN 1993-1-2: Acélszerkezetek tervezése. Általános szabályok. Szerkezetek tervezése tűzhatásra

 

Megjelent az Acélszerkezetek magazin 2020/I. számában.