marec 20 04 GLASILO ZVEZE DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE IN MATIČNE SEKCIJE GRADBENIH INŽENIRJEV PRI INŽENIRSKI ZBORNICI SLOVENIJE Poštnina plačana pri pošti 1102 Ljubljana Gradbeni vestnik • GLASILO ZVEZE DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE in MATIČNE SEKCIJE GRADBENIH INŽENIRJEV PRI INŽENIRSKI ZBORNICI SLOVENIJE UDK-UDC 0 5 :6 2 5 ; ISSN 0017-2774 Ljubljana, marec 2004, letnik 53, str. 45-68 Izdajatelj: Zveza društev gradbenih inženirjev in tehnikov Slovenije (ZDGITS), Karlovška 3,1000 Ljubljana, telefon/faks 01 422 4622 v sodelovanju z Matično sekcijo gradbenih inženirjev pri Inženirski zbornici Slovenije (MSG IZS), ob podpori Ministrstva RS za šolstvo, znanost in šport. Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani in Zavoda za gradbeništvo Slovenije Izdajateljski svet: ZDGITS: mag. Andrej Kerin izr. prof. dr. Matjaž Mikoš Jakob Presečnik MSG IZS: Gorazd Humar mag. Črtomir Remec doc. dr. Branko Zadnik FGG Ljubljana: doc. dr. Marijan Žura FG Maribor: Milan Kuhta ZAG: prof. dr. Miha Tomaževič Glavni in odgovorni urednik: prof. dr. Janez Duhovnik Sodelavec pri MSG IZS: Jan Kristjan Juteršek Lektorica: Alenka Raič Blažič Lektorica angleških povzetkov: Darja Okorn Tajnica: Anka Holobar Oblikovalska zasnova: Mateja Goršič Navodila avtorjem za pripravo člankov in drugih prispevkov • Uredništvo sprejema v objavo znanstvene in strokovne članke s področja gradbeništva in druge prispevke, pomembne in zanimive za gradbeno stroko. • Znanstvene in strokovne članke pred objavo pregleda najmanj en anonimen recenzent, ki ga določi glavni in odgovorni urednik. • Besedilo prispevkov mora biti napisano v slovenščini. • Besedilo mora biti izpisano z znaki velikosti 12 pik z dvojnim presledkom med vrsticami. • Prispevki morajo imeti naslov, imena in priimke avtorjev ter besedilo prispevka. • Besedilo člankov mora obvezno imeti: naslov članka v slovenščini(velike črke); naslov članka v angleščini (velike črke); oznako ali je članek strokoven ali znanstven; nazive, imena in priimke avtorjev ter njihove naslove; naslov POVZETEK in povzetek v slovenščini; naslov SUMMARY, in povzetek v angleščini; naslov UVOD in besedilo uvoda; naslov naslednjega poglavja (velike črke) in besedilo poglavja; naslov razdelka in besedilo razdelka (neobvezno);nas lov SKLEP in bese­ dilo sklepa; naslov ZAHVALA in besedilo zahvale (neobvezno); naslov LITERATURA in seznam lite­ rature; naslov DODATEK in besedilo dodatka (neobvezno). Če je dodatkov več, so dodatki ozna­ čeni še z A, B, C, itn. • Poglavja in razdelki so lahko oštevilčeni. • Slike, preglednice in fotografije morajo biti omenjene v besedilu prispevka, oštevilčene in oprem­ ljene s podnapisi, ki pojasnjujejo njihovo vsebino. Vse slike in fotografije v elektronski obliki (slike v običajnih vektorskih grafičnih formatih, fotografije v formatih ,tif ali .jpg visoke ločljivosti) morajo biti v posebnih datotekah, običajne fotografije pa priložene. • Enačbe morajo biti na desnem robu označene z zaporedno številko v okroglem oklepaju. • Kot decimalno ločilo je treba uporabiti vejico. • Uporabljena in citirana dela morajo biti navedena med besedilom prispevka z oznako v obliki: (priimek prvega avtorja, leto objave). V istem letu objavljena dela istega avtorja morajo biti označe­ na še z oznakami a, b, c, itn. Tehnično urejanje, prelom in tisk: Kočevski tisk Naklada: 2750 izvodov Podatki o objavah v reviji so navedeni v bibliografskih bazah COBISS in ICONDA (The Int. Construction Database) ter na http://www.zvezq-dqits.si. Letno izide 12 številk. Letna naročnina za individualne naročnike znaša 5500 SIT' za študente in upokojence 2200 SIT; za družbe, ustanove in samostojne podjetnike 40.687,50 SIT za en izvod revije; za naročnike iz tujine 100 USD. V ceni je vštet DDV. • V poglavju LITERATURA so uporabljena In citirana dela opisana z naslednjimi podatki: priimek, ime prvega avtorja (lahko okrajšano), priimki in imena drugih avtorjev, naslov dela, način objave, leto objave. • Način objaveje opisan s podatki: knjige: založba: reviie: ime revije, založba, letnik, številka, strani od do; zborniki: naziv sestanka, organizator, kraj in datum sestanka, strani od do; raziskovalna poročila: vrsta poročila, naročnik, oznaka pogodbe: za druae vrste virov: kratek opis, npr. v zaseb­ nem pogovoru. • Prispevke je treba poslati glavnemu in odgovornemu uredniku prof. dr. Janezu Duhovniku na naslov: FGG, Jamova 2, 1000 LJUBLJANA oz. janez.duhovnik@fgg.uni-lj.si. V spremnem dopisu mora avtor članka napisati, kakšna je po njegovem mnenju vsebina članka (pretežno znanstvena, pretežno strokovna) oziroma za katero rubriko je po njegovem mnenju prispevek primeren. Pri­ spevke je treba poslati v enem izvodu na papirju in v elektronski obliki v formatu MS WORD in v 8. točki določenih grafičnih formatih. Poslovni račun ZDGITS pri NLB Ljubljana: 02017-0015398955 Uredništvo Vsebina • Contents Članki • Papers stran 46 mag. Marko Završki, univ. dipl. inž. grad. PROJEKTIRANJE IN IZVEDBA VIADUKTA PETELINJEK DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE VIADUCT PETELINJEK stran 52 asist. dr. Sebastjan Bratina, univ. dipl. inž. grad., doc. dr. Igor Planinc, univ. dipl. inž. grad. ANALIZA PRIMERNOSTI POSTOPKA ZA DOLOČITEV POŽARNE ODPORNOSTI AB STEBROV PO EUROCODE 2 ACCURACY OF CALCULATION METHOD FOR ASSESING FIRE RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS ACCORDING TO EUROCODE2 stran 58 Jožica Gričar, univ. dipl. inž. les., Miro Tomažič, univ. dipl. inž. les., prof. dr. Željko Gorišek VISKOELASTO-PLASTIČNO IN MEHANOSORPTIVNO LEZENJE LESA VISCOELASTIC-PLASTIC AND MECHANO-SORPTIVE CREEP OF WOOD Seminarji stran 65 PRIPRAVLJALNI SEMINARJI IN IZPITNI ROKI ZA STROKOVNE IZPITE W r 2 . '''•° > *■ ' _ - ZA GRADBENO STROKO V LETU 2 0 0 4 Novi diplomanti gradbeništva stran 67 J. K. Juteršek, univ. dipl. inž. grad. Koledar prireditev stran 67 J. K. Juteršek, univ. dipl. inž. grad. Slika na naslovnici: Viadukt Peteliniek. foto Marko Završnik PROJEKTIRANJE IN IZVEDBA VIADUKTA PETELINJEK DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE VIADUCT PETELINJEK I mag. Marko Završki, univ. dipl. inž. grad. strokovni članek udk 624 .21 625 745.1 GRADIS Biro za projektiranje Maribor, d.0.0., Lavričeva 3 ,2000 MARIBOR Povzetek | V prispevku sta opisana projektiranje in izvedba viadukta Petelinjek, ki se gradi na odseku AC Trojane-Blagovica in bo predvidoma predan v uporabo oktobra 2004. Viadukt, ki ga tvorita dva vzporedna objekta dolžine 630 ,0 in 617,5 m, se nahaja pred naseljem Blagovica, kjer premošča dolino in magistralno cesto na višini 2 0 -4 0 m. Glavni nosilni konstrukciji obeh viaduktov sta zasnovani kot kontinuirni prednapeti kon­ strukciji škatlastega prereza, ki potekata čez 6 polj in predstavljata po eno zavorno enoto. Glavni razponi so 130,0 m pri levem oziroma 127,43 m pri desnem viaduktu. Pri viaduktu lahko kot značilnosti poudarimo: temeljenje s polnim i vodnjaki delno v pobočju in gradnjo prekladne konstrukcije po sistemu prostokonzoine gradnje. Summary | In the paper, design and construction of the viaduct Petelinjek, is de­ scribed. The viaduct is located on the m otorway section Trojane - Blagovica. The viaduct is currently under construction and w ill be completed in October 2004. The viaduct su­ perstructure consisting of two separated parallel v iaducts of a total length of 630,0 metres and 617,0 metres, is located jus t before the settlement Blagovica. It bridges the valley and the m ain road a t a height of 2 0 -3 0 metres. The superstructure o f each via­ duct is a continuous presstressed box girder tha t has 6 fields of m axim al spans of 130,0 and 127,43 metres. Some typical features are emphasized: well foundations in the slope and cast-in-situ free cantilever construction of the deck. 1 • UVOD Viadukt premošča ozko dolino pred na­ seljem Blagovica na višini 2 0 -4 0 m (slika 1). V dolini poteka obstoječa magistralna cesta Celje-Ljubljana, potok Radomlja ter glavni plinovod. Avtocesta in magistralna cesta na mestu križanja potekata v radiju. Avtocesta prečka dolino in magistralno ce­ sto z dvema vzporednima viaduktoma z glavnimi razponi 130 (levi viadukt), oziroma 127,43 m (desni viadukt). Viadukta doline ne zapirata, ampak delujeta v veduti krajine lahkotno in odprto. Pri viaduktu Petelinjek lahko kot značilnosti poudarimo temeljenje s polnimi vodnjaki delno v pobočju in gradnjo prekladne konstrukcije po sistemu pro­ stokonzoine gradnje. Viadukt je v izvedbi in bo predvidoma končan do oktobra leta 2004. Slika 1 • Pogled na gradnjo viadukta Petelinjek z ljubljanske strani PODATKI 0 UDELEŽENCIH PRI GRADITVI VIADUKTA PETEUNJEK Naročnik: DARS, Družba za avtoceste v Republiki Sloveniji d.d. Projektant: GRADIS Biro za projektiranje Maribor d.o.o. Vodja projekta: prof. Vukašin Ačanski, univ. dipl. inž. grad. Odgovorni projektant: mag. Marko Završki, univ. dipl. inž. grad. Izvajalec: Inženir: GRADIS Nizke gradnje Maribor d,d. Odgovorni vodja gradbišča: Aleksander Milojevič, univ. dipl. inž. grad. DDC Družba za državne ceste Ljubljana d.o.o. Nadzorni inženir: Jože Herga, univ. dipl. inž. grad. izročitev v promet: leto 2004 2 • SPLOSNI PODATKI O OBJEKTU Karakteristični prečni prerez ceste Podpore: votli stebri poligonalnega prereza 4,0 X 5,0 m (4,0 x 4,0) m Preklada: škatlasti prerez spreminjajoče se višine h = 3,2-6,5 m Levi viadukt: zunanji rob (ograja NJ + hodnik) 0,25 + 0,75 + 0,46 1,44 m vozišče 0,50 + 3,30 + 3,50 + 3,50 + 0,50 11,30 m notranji rob + ograja 0,50 + 0,36 + 0,54 1,40 m Skupaj 14,14 m vmesni viadukt: ' zunanji rob (ograja NJ + hodnik) 0,25 + 0,75 + 0,46 1,44 m vozišče 0,50 + 2,50 + 3,50 + 3,50 + 0,50 10,50 m notranji rob + ograja 0,50 + 0,36 + 0,54 1,40 m Skupaj 13,34 m Površina objekta: 17.264 m2 Število podpor: 7+7=14 Razponi in dolžina: 90,00+130,00 +130,00 +90,00 +59,9 = 629,26 m - levi viadukt 88,224+127,424+127,424 +88,224+58,912 = 617,662 m - desni viadukt Trasirni elementi ceste: Tlorisni potek trase: os avtoceste: od km 85,0 + 60,00 do km 85,6 + 83,62 (sistemske osi); R=700,00 m levi viadukt: od km 85,0 + 60,00 do km 85,6 + 83,62 (sistemske osi); R = 707,18 m desni viadukt od km 85,0 + 60,00 do km 85,6 + 83,62 (sistemske osi); R = 693,22 m Niveleta: levi viadukt: vzdolžni padec 3,07 % konst., prečni nagib: 4,5 % desni viadukt: vzdolžni padec 3,13 % konst., prečni nagib: 4,5 % Značilnosti konstrukcije: Način temeljenja: globoko s polnimi vodnjaki premera D = 7,1 -9,1 m, D = 5,50-8,0 m Oprema: ležišča (lončna P12000 (6500), di­ latacije: D320, D400, D480, mostna kanali­ zacija, ograja Materiali: betoni MB30-MB45, armatura RA400/ /500-2, jeklo za prednapenjanje 1570/1770 Tehnologija gradnje prekladne konstrukcije: prostokonzolna gradnja 3 • KONSTRUKCIJSKA ZASNOVA 3.1 Splošno Sedanja varianta zasnove viadukta (slika 2) je nastala na osnovi variantnih študij v predhodnih fazah projektiranja. V zasnovi konstrukcije v PGD in PZI so bili ohranjeni osnovni gabariti objekta: dolžina, širina, lokacije in število pod­ por, dolžine razpetin, oblika prereza in način temeljenja. Manjše spremembe so bile izve­ dene v smislu prilagajanja tehnologiji gradnje izvajalca, kot so: poševne stojine škatlastega prereza preklade, zmanjšanje premera vodnja­ kov z uporabo polnih vodnjakov, sprememba oblike stebra glede na razpoložljive opaže izva­ jalca. Z zasnovo konstrukcije so bile upoštevane topografske in geološke značilnosti terena in prostora. Večji del konstrukcije tvori preklada z velikimi razponi do 130,0 m in krajšimi razponi 60,0-90,0 m v krajnih poljih. Zagotovljena je svetla višina in predpisani odmik stebrov od magistralne ceste in od visokotlačnega plinovo­ da, ki poteka pod viaduktom. 3.2 Prekladna konstrukcija Vsak od obeh viaduktov je zasnovan kot kon- tinuirna prednapeta konstrukcija podprta na štirih elastično vpetih vmesnih podporah in na eni podpori, na kateri sta enostransko pomični ležišči. Škatlasti prečni prerez (slika 3) pre­ kladne konstrukcije je spremenljive višine od 3,20 m do 6,50 m v poljih 1 do 5 in kon­ stantne višine 3,20 m v polju 6. Zaradi po­ ševnih stojin (debelina 50 cm) se spreminja širina spodnje plošče škatle. V območju spreminjajoče se višine prereza se debelina spodnje plošče spreminja od 40 cm v sredini polja do 120 cm nad podporami. Prednapenjanje glavne nosilne konstrukcije je izvedeno s kabli LH 19 x 0,6. (V fazi prostokon- zolne gradnje se prednapnejo zgornji kabli, in sicer 44 nad podporami v oseh 2 -5 (slika 4) in 32 kablov (24 LH 19 x 0,6 (in 8 kabli 11 x 0,6)) nad podporo v osi 6. Po izvedbi veznih lamel je sledilo prednapenjanje spodnjih kab­ lov v polju, in sicer 16 kablov v poljih z velikimi razponi (130,0 m) in 8 oz. 10 kablov v pred­ zadnjem polju. Slika 2 • Tloris in vzdolžni prerez viadukta Prekladna škatlasta konstrukcija je izvedena v betonu MB 45. Zaradi tehnologije gradnje je bila zahtevana minimalna tlačna trdnost po 3 dneh 30 MN/m2. Za armiranje je bila upo­ rabljena rebrasta armatura RA 400/500-2 in za prednapenjanje visokovredno jeklo kvalitete 1570/1770 MN/m2. 3.3 Podporna konstrukcija s temelji Viadukt je zasnovan kot ena zavorna enota, z dilatacijami samo na krajnih opornikih. Vzdolžne sile, ki jih povzročajo krčenje in lezenje betona, zaviranje vozil, temperaturne spremembe in potres, se prenašajo preko štirih vmesnih stebrov (stebri 2 ,3 ,4 ,5 ), ki so zgoraj togo vpeti v prekladno konstrukcijo. Ste­ bra podpore 6 imata na vrhu enostransko pomična ležišča Pl 12000. Obtežba, ki deluje prečno na viadukt (veter, potres), se prenaša na vse podpore. Posredni vplivi (krčenje in lezenje betona, temperatura) in vplivi predna- penjanja se prenašajo v skladu s togostmi posameznih podpor, upoštevajoč tudi reo- loško obnašanje betona in padec togosti. Stebri vmesnih podpor so visoki od 22,0 do 33,0 m (slika 5). Imajo votli, poligonalni pre­ rez, z dimenzijami 4,0 x 5,0 m (4,0 x 4,0 m) s "prisekanimi" vogali in debelino stene 40 cm na daljši stranici in 60 cm na krajši stranici. Na mestih vpenjanja v preklado in polni vodnjak se stene vutasto razširijo. Na vrhu stebrov je izvedena kapa z razširitvijo s stranskimi rebri, ki so enaka širini stebra b = 4,0 m. Krajni oporniki so škatlaste oblike z revizijskim hod­ nikom pod dilatacijo ter ustreznim dostopom. Geološko osnovo tvorijo permokarbonski skladi. Pod dolino reke Radomlje in v južnih pobočjih najdemo skrilaste glinovce z vložki meljevca in peščenjaka, na severni strani (začetek viadukta) pa prevladuje ploščati meljevec, kremenov peščenjak in konglome­ rat. Nosilna hribina se nahaja v globini okoli 7 -8 m. Zgornji preperinski sloj je porozen in nehomogen, tako da ni primeren za temelje­ nje, zato je viadukt temeljen na vodnjakih in uvrtanih pilotih, ki segajo najmanj 4,0 m v Slika 5 • Značilna vmesna podpora Kompaktno hribino. V območju podpore 5 in 6 je seje nahajal manjši površinski plaz, ki ga je bilo potrebno pred izvedbo vodnjakov sanirati. Dopustna napetost v temeljnih tleh pod vodnjaki znaša za osnovno obtežbo od 800 -1000 kN/m2, za kombinacijo osnovne in posebne obtežbe pa od 1500-1800 kN/m2. Dopustna nosilnost pilotov znaša 6 0 0 0 - 7000 kN. Vmesne podpore viadukta so temeljene na polnih vodnjakih premera 7,10 m z razširitvijo na 9,00 m na spodnji strani pri vmesnih pod­ porah v oseh 2D-L, 3L-D, 4L-D, 5L-D ter pre­ mera 5,50 m z razširitvijo na 8,0 m pri vmes­ nih podporah 6L-D. Globina vodnjakov znaša od 11 do 18 m, odvisno od globine kompaktne hribinske podlage. Krajne podpore so teme­ ljene na pilotih premera 150 cm v permo-kar- bonski hribini. Krajne podpore so temeljene na pilotih. Ti imajo premer 150 cm in so dolgi od 13,00 do 18,0 m. 4 «TEHNOLOGIJA GRADNJE 4.1 Izvedba temeljenja in podpor Varovanje izkopa vodnjaka na vrhu v zgornjih preperinskih slojih je bilo izvedeno z AB prsta­ ni (2 -3 prstani višine h = 1,0 m). Pri podporah v nagnjenem terenu so se prvi obroči izvedli kot polmeseci in z začasnimi pasivnimi sidri sidrali v zaledno hribino. Pri nadaljnjem izkopu vodnjaka se je zaščita izvajala z armiranim brizganim (torkret) betonom debelim 15 cm. Po potrebi so se izvedla pasivna sidra po bodu izkopa. Ukrepi za varovanja izkopa so se določali sproti na podlagi ugotavljanja dejan­ ske kategorije tal ob prisotnosti geomehanika. Izkop v območju razširitve seje izvedel postop­ no po korakih z napredovanjem v globino po 1,0 m in izvajanjem izkopa po delih 1/4 ob­ sega vodnjaka. Poševnine izkopa so se ščitile s torkret betonom in pasivnimi SN-sidri. Sledila je izvedba polnilnega dela vodnjaka in temelja pod stebrom. Nad polnilnim delom seje izved­ la temeljna plošča stebra z nastavki za izved­ bo stebra (slika 6). Izvedba vmesnih podpor je potekala s pomoč­ jo sistemskih plezajočih opažev, višina kam- pade je bila 4,0 m. Notranji del opaža je s klasičnim polnilom (z lesenimi remenati) obli­ kovan tako, da ustreza razširitvam sten (na­ vznoter) kampade. Kape so se izvedle s po­ močjo prilagojenih plezajočih sistemskih opažev ter AB montažnimi ploščami, ki služijo kot opaž dna kape stebra. 4.2 Prostokonzolna gradnja prekladne konstrukcije Gradnja prekladne konstrukcije seje skoraj v celoti izvajala s postopkom prostokonzolne gradnje z dvema do tremi pari opažnih vo­ zičkov (slika 7). Na vsakem od obeh viaduk­ tov je bilo potrebno izvesti po 4 velike mize s po dvanajstimi lamelami dolžine 3 ,72-5 ,0 m in t.i. eno majhno mizo nad podporo v osi 6. Delovni ciklus izvedbe enega para lamel je obsegal naslednje operacije: napenjanje kab­ lov predhodne lamele, spuščanje in premik vozičkov, izravnava ter nadvišanje, polaga­ nje armature in kabelskih cevi, betoniranje, strjevanje betona, odstranitev notranjega opaža in priprava za prednapenjanje. Delov­ ni ciklus za simetrično izvedbo lamel je trajal 7 dni. Po izdelavi miz nad stebroma v oseh 3 in 4 so se vozički prestavili na mize nad stebri v oseh 2 in 5. Sledila je izvedba mize v osi 6 in odseka na odru ob podpori v osi 1. Gradnja dela konstrukcije v zadnjem polju med pod­ porama 6 in 7 se je izvajla po principu ne­ simetrične prostokonzolne gradnje s pomož­ no podporo. Vezne lamele dolžine 5,0 m so se izvedle v zaporedju VL3-4 (vezna lamela v 3. polju), VL2-3, VL5-6, VL1-2 in VL6-7 ter vezne lamele VL5-6. Po zabetoniranju vez­ nega dela in doseženi zadostni trdnosti beto­ na veznih delov je bilo izvršeno napenjanje spodnjih sovprežnih kablov v poljih. Vpetje prekladne konstrukcije v kapo stebra v osi 6 (miza M6) v času prosto konzolne gradnje se je izvedlo s prednapetimi palicami iz visoko- vrednega jekla (Dywidag) ( 36 mm in pod­ piranjem z začasnimi ležišči - hidravličnimi prešami (slika 8). Prostokonzolna gradnja zahteva stalna in na­ tančna geodetska merjenja. Določitev nad- višanja v posamezni fazi gradnje je izredno zahtevna naloga, ker je potrebno upoštevati veliko parametrov, ki vplivajo na deformacije konstrukcije, kot so: speminjajoči se elastični modul betonov in jekla, vpliv reološkega obna­ šanja betonov, spreminjanje konstrukcijskega sistema, neenakomerne temperaturne spre­ membe, nihanje konstrukcije, ipd. Prostokon­ zolna gradnja zahteva redno prisotnost pro­ jektanta, saj so potrebne sprotne korekcije nadvišanj, da se doseže predpisana niveleta viadukta. Slika 6 • Izvedba vodnjaka vmesne podpore Slika 7 • Prostokonzolna gradnja prekladne konstrukcije Slika 8 • Vpetje prekladne konstrukcije v kapo stebra v času gradnje Viadukt Petelinjek je eden od večjih viaduktov, ki se trenutno gradijo v Sloveniji. Uporabljene so bile številne zanimive rešitve na področju projektiranja, tehnologije in izvedbe objekta. Objekt lahko uvrstimo med značilne pobočne viadukte z zahtevnim temeljenjem s polnimi vodnjaki in zahtevno prostokonzolno gradnjo prekladne konstrukcije. Objekt odlikuje izredna skladnost med dolžinami razponov in višinami stebrov. 6 * LITERATURA Viadukt 6-9, PETELINJEK, PGD PZI, GRADIS BP Maribor d. o. o., št. projekta 3740, 2002-2003. ANALIZA PRIMERNOSTI POSTOPKA ZA DOLOČITEV POŽARNE ODPORNOSTI AB STEBROV PO EUROCODE 2 ACCURACY OF CALCULATION METHOD FOR ASSESING FIRE RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS ACCORDING TO EUROCODE 2 asist. dr. Sebastjan Bratina, univ. znanstveni članek dipl. inž. grad., sbratina@fgg.uni-lj.si UDK 691.32:699.81:620:i8 i, 006.86(4) EC2 doc. dr. Igor Planinc, univ. dipl. inž. grad., iplaninc@fgg.uni-lj.si Univerza v Ljubljani, FGG, Jamova 2, 1000 LJUBLJANA Povzetek I v članku analiziramo primernost poenostavljenega računskega postopka za določitev požarne odpornosti pretežno tlačno obremenjenih armirano­ betonskih stebrov, ki ga priporoča evropski standard Eurocode 2 (EC 2) (Eurocode 2, 2002). Primernost postopka ocenjujemo s primerjavo med rezultati požarne odpornosti stebrov po EC 2 in rezultati, ki jih izračunamo z nelinearno analizo odziva armirano­ betonskih ravninskih linijskih konstrukcij pri sočasnem delovanju statične obtežbe in požara. Primerjava rezultatov požarne odpornosti stebrovje pokazala razhajanje med obema računskima postopkoma. Summary | In this paper we present a study of the accuracy of calculation method for assesing fire resistance of reinforced concrete columns, mainly subjected to com­ pressive loading according to European standard Eurocode 2. The results of simple method for assesing fire resistance are compared with the results of nonlinear analysis of the mechanical response of reinforced planar structures due to simultaneous action of static and fire load. The numerical example shows the disagreement of fire resistance, evaluated by simple method according to EC 2, in comparison with results of fire resis­ tance evaluated by nonlinear analysis. 1 • UVOD Požarna odpornost gradbenih konstrukcij predstavlja pomemben del njene varnosti. Armiranobetonske (AB) konstrukcije so glede požarne varnosti v primerjavi z nekaterimi dru­ gimi gradbenimi konstrukcijami sorazmerno varne. To je predvsem posledica velike mase in velike specifične toplote betona ter relativno slabe toplotne prevodnosti. Požarno odpor­ nost konstrukcij lahko v splošnem določamo na dva načina. Eksperimentalno določamo požarno odpornost konstrukcij v posebej za to prirejenih požarnih pečeh ali pa na objektu v naravi. Takšno določanje požarne odpornosti konstrukcij je nezanesljivo, ker smo omejeni z velikostjo in s številom vzorcev, razen tega pa je zelo težko sklepati na podlagi požarne odpornosti vzorca na požarno odpornost ce­ lotne konstrukcije. Splošnejši način določanja požarne odpornosti predstavlja nelinearna analiza odziva konstrukcije pri sočasnem vpli­ vu statične obtežbe in požara. Ker pa velja, da so nelinearne analize požarne odpornosti AB konstrukcij računsko zelo zahtevne, lahko v li­ teraturi zasledimo številna priporočila za po­ enostavljeno oceno požarne odpornosti, pred­ vsem za enostavne konstrukcije (Dotreppe, 1999), (Eurocode 2, 2002), (Lie, 1991). Matematično modeliranje interakcije med požarom in konstrukcijo je v splošnem zelo zahtevno. Glede na priporočila v literaturi lahko analizo požarne odpornosti konstrukcij razde­ limo v tri fizikalno smiselne in matematično nepovezane faze. V prvi fazi določimo ča­ sovno porazdelitev temperature po požarnem prostoru. V drugi fazi izračunamo časovno spreminjanje temperature v posameznih kon­ strukcijskih elementih zaradi spreminjanja temperature požarnega prostora. V tretji fazi pa določimo časovno odvisno napetostno in deformacijsko stanje konstrukcije, ki je posle­ dica sočasnega vpliva statične in tempera­ turne obtežbe. Ker je določitev porazdelitve temperature po požarnem prostoru zelo za­ htevna, jo v analizi predpostavimo skladno s predpisanimi požarnimi krivuljami. Za dolo­ čitev temperaturnega polja ter napetostnega in deformacijskega stanja konstrukcije večina raziskovalcev uporablja metodo končnih ele­ mentov. Natančnejše analize požarne odpor­ nosti konstrukcij temeljijo na uporabi 3D končnih elementov. Ker pa so zaenkrat ti računski modeli konstrukcij za običajno inženirsko prakso še vedno prezahtevni, upo­ rabljamo za analizo požarne odpornosti AB konstrukcij največkrat poenostavljene račun­ ske modele, kot so nosilci in plošče. V tem članku analiziramo primernost poeno­ stavljenega računskega postopka za oceno požarne odpornosti pretežno tlačno obreme­ njenih izoliranih armiranobetonskih stebrov, ki ga podajajo evropski standardi Eurocode 2. Primernost postopka ocenjujemo s primerjavo med rezultati požarne odpornosti stebrov po EC 2 in rezultati, kijih izračunamo z nelinearno analizo odziva AB linijskih konstrukcij pri sočasnem vplivu statične in temperaturne obtežbe. Uporabljena nelinearna analiza je razdeljena, kot smo že opisali, na tri fizikalno smiselne in matematično ločene faze. Po­ razdelitev temperature po požarnem prostoru predpostavimo skladno s predpisanimi po­ žarnimi krivuljami, temperaturno polje po kon­ strukciji izračunamo z računalniškim pro­ gramom HEATC (Saje, 1987), napetostno in deformacijsko stanje konstrukcije pa izračuna­ mo z računskim postopkom, ki ga je v svoji doktorski disertaciji predstavil Bratina (Bratina, 2003a). Računski postopek je zasnovan na t.i. Reissnerjevi teoriji ravninskih nosilcev. S tem 2 • OCENA POŽARNE ODPORNOSTI AB STEBROV PO EUROCODE 2 modelom upoštevamo v analizi odziva AB kon­ strukcij med požarom neomejeno velikost pomikov, zasukov in deformacij ter upogibno in osno deformiranje nosilca. Dodatno smo predpostavili tudi kompatibilnost deformacij na stiku med armaturo in betonom ter neline­ arna konstitucijska zakona za beton in arma­ turo. Ustrezen računalniški programje izdelan v programskem okolju Matlab. Računski po­ stopek pa je dobro umerjen z dosegljivimi eksperimentalnimi rezultati (Bratina, 2003a). Članek ima razen uvoda še štiri kratka poglavja. V drugem poglavju predstavljamo poenostav­ ljen postopek za oceno požarne odpornosti armiranobetonskih stebrov po evropskih stan­ dardih EC 2. V tretjem poglavju na kratko pred­ stavimo računski postopek za nelinearno ana­ lizo odziva AB ravninskih konstrukcij med požarom. V četrtem poglavju analiziramo pri­ mernost poenostavljenega postopka za dolo­ čitev požarne odpornosti AB stebrov skladno z EC 2 za dva različno obremenjena vrtljivo pod­ prta stebra. Na koncu podajamo zaključke. V tem poglavju predstavimo postopek za oceno požarne odpornosti armiranobetonskih stebrov, ki ga predpisujejo evropski standardi Eurocode 2 (Eurocode 2, 2002). Požarno odpornost konstrukcije označimo z R in je v EC 2 definirana s tem, koliko časa lahko kon­ strukcija ali njen del kljubuje standardni požarni obremenitvi. Požarne odpornosti so označene z R 30, R60, R 120, kjer številke 30, 60 ali 120 predstavljajo časovno odpornost konstrukcije, izraženo v minutah. Standarna požarna obtežba je predstavljena s požarno krivuljo, ki jo določa gorenje lesne snovi. Sklad­ no s požarno krivuljo po Eurocode 1 (Euroco­ de 1, 1995) je časovno spreminjanje tempe­ rature podano z izrazom T = 20 + 3451og10(8r + l) (1) Pri tem je T (v °C) temperatura požarnega pro­ stora, t pa čas v minutah (slika 3a). Evropski standard EC 2 (Eurocode 2, 2002) predpisuje računski postopek za določitev požarne odpornosti izoliranih armiranobe­ tonskih elementov, ki so izpostavljeni stan­ dardnemu požaru, oziroma minimalne dimen­ zije prereza, ki so potrebne za zagotovitev ustrezne požarne odpornosti stebra. Za pre­ težno tlačno obremenjene elemente je izraz za račun požarne odpornosti podan z enačbo: R = 120 120 (2) Pri tem so koeficienti določeni z izrazi: ^ - , = 8 3 . 1 + a) l -0 -H f iä E -----— + CO R , = 1 .6 ( a - 3 0 ) , *> = 9 .6 (5 -/J, Rb = 0 .0 9 b ', (3) Pomen oznak v izrazih (3) je: a (mm) je od­ daljenost vzdolžne armature od najbližje zu­ nanje, požaru izpostavljene površine, /»«(m) je dolžina stebra, ki je izpostavljena požaru, b ' = 2Ac/ ( b + h) (mm), to = Asfyd/ A cfc0, a cc pa je koeficient tlačne trdnosti (a cc = 0.85). Redukcijski faktor za obtežbo stebra (jj.n pa izračunamo z enačbo Pr, N,Ed,fi N 0 (4) JO za n — 4 (armatura samo v vogalih) (12 za W > 4 (armatura po celem obodu prereza). kjer je Nm računska obtežba med požarom, /VRd pa računska nosilnost stebra pri sobni temperaturi. 3 • NELINEARNA ANALIZA ODZIVA AB KONSTRUKCIJE MED POŽAROM Splošnejši in natančnejši način določitve požarne odpornosti AB konstrukcij, kot jo predpisuje EC 2, je nelinearna analiza AB kon­ strukcij med požarom. Podrobnejši prikaz računskega postopka za določitev časovno odvisnega napetostnega in deformacijskega stanja AB konstrukcij med požarom oziroma požarne odpornosti AB konstrukcij je prikazan v doktorski disertaciji S. Bratine (Bratina, 2003a). Ker pa ima materialna nelinearnost velik vpliv na obnašanje AB konstrukcij med požarom, in ker je ta vpliv v literaturi pogosto pomanjkljivo opisan, ga v nadaljevanju na kratko predstavimo. Kot smo že povedali, je obnašanje konstrukcije med požarom izrazito materialno in geometrij- Slika 1 • Konstitucijski modeli betona in armature v skladu z evropskimi standardi Eurocode 2 (Eurocode 2 ,2 0 0 2 ). sko nelinearno. Zato moramo konstitucijske zveze med napetostmi, deformacijami, tempe­ raturami in časom izraziti v inkrementni obliki. Skladno z EC 2 (Eurocode 2, 2002) v analizi predpostavimo aditivni razcep prirastka t.i. ge­ ometrijske deformacije, AD = Ae + z A k , ki ga izrazimo z vsoto prirastkov mehanske A D0, temperaturne, A D ^ in prehodne deformacije betona, ADt[C, ter prirastkov deformacij zaradi lezenja betona in armature, A Dac in ADcrs. Fizikalna napetost o in mehanska deforma­ cija Da poljubnega vzdolžnega vlakna AB konstrukcije, ki jo sestavljata prispevka ela­ stične in plastične deformacije, Da = De + Dv, sta povezana s konstitucijskim zakonom