Požární odolnost šroubového přípoje trapézových plechů vystavených požáru

Abstract

Cílem práce bylo popsat chování šroubového přípoje trapézového plechu k nosné konstrukci pomocí samovrtných šroubů za zvýšených teplot a navrhnout vhodná opatření pro takové přípoje, aby došlo ke zvýšení požární odolnosti trapézového plechu, který je součástí střešní konstrukce. Byly provedeny tři zcela odlišné typy experimentů: zkoušky šroubových přípojů s různou tloušťkou plechů a různým průměrem šroubů za zvýšených teplot, zkoušky trapézových plechů při požárním zatížení, které působí jako kloubově uložené nosníky, a tahové zkoušky pro získání materiálových charakteristik jednotlivých zkoušených plechů za běžné, ale i za zvýšených teplot.Na základě zkoušek šroubových přípojů trapézových plechů se samovrtnými šrouby za zvýšených teplot byly odvozeny dva redukční součinitele: redukční součinitel pro šroubové přípoje kb,PK, redukční součinitel tuhosti přípojů kT,PK. Bylo zjištěno, že únosnost šroubového přípoje závisí hlavně na deformaci přípoje. Počáteční tuhosti přípojů jsou pro teploty 20 °C až 400 °C vzájemně srovnatelné, při vyšších teplotách dochází k výraznějšímu poklesu počáteční tuhosti. Vzorec pro výpočet únosnosti šroubového přípoje tenkých plechů za zvýšených teplot, který popsal Strnad, byl poupraven.Experimentálně zjištěná teplota na zkušebních vzorcích kloubově podepřených nosníků v místě šroubového přípoje nad podporou chráněnou požárním obkladem dosahuje řádově polovičních hodnot ve srovnání s teplotou plechu uprostřed rozpětí. Počáteční fáze zahřívání je velice důležitá. Nevýhodou běžného přípoje trapézových plechů pomocí samovrtných šroubů je možnost porušení plechu nad podporami v počátcích zahřívání, tzn. při roztahování plechu. Vzniklá síla v podpoře způsobuje otlačení a případně i protržení tenkého plechu dříkem šroubu. Pro zvýšení požární odolnosti takového přípoje byly navrženy a experimentálně vyzkoušeny dvě varianty úprav v místech šroubových spojů: zdvojení plechu a oválné otvory v tenkém plechu v místech pro šrouby.Na základě materiálových zkoušek tenkých plechů byly odvozeny redukční součinitele smluvní meze kluzu pro trvalou deformaci 0,2 mm pro teploty do 800 °C. Mechanické vlastnosti předem tepelně ovlivněných plechů, které byly vystaveny teplotám 1100 °C, dosahují nižších hodnot v porovnání s mechanickými vlastnostmi ocelí, které teplotám vystaveny nebyly. Mez kluzu tepelně ovlivněné oceli nabývá hodnoty 56 % meze kluzu tepelně neovlivněného materiálu a mez pevnosti tepelně ovlivněné oceli je 36 % meze pevnosti neovlivněné oceli.

The aim of this work is to describe the overall behaviour of connection of trapezoidal sheeting and self-drilling screws to the load bearing structure at elevated temperatures. An integral part of the work is to propose a suitable arrangement for this connection to improve the fire resistance of the sheet as a part of a roof structure. Generally three completely different types of tests were carried out: tests with self-drilling screws with different thicknesses of sheets and different diameters of screws, experiments with simple supported beams with modifications above the supports and tests to verify the mechanical properties of steel of the sheets which were used in the experiments. Based on the results of tests with connections of trapezoidal sheet with self-drilling screws two reduction factors were proposed: the reduction factor of connection resistance kb,PK, the reduction factor of connection stiffness kT,PK for screwed connection of trapezoidal sheet with self-drilling screws at elevated temperature. It was proved that the resistance depends mainly on the deformation of the connection. The initial stiffness of a screwed connection at elevated temperature up to 400°C is similar to the initial stiffness of the connection at ambient temperature. The equation set up by Strnad for the calculation of the resistance of connection from trapezoidal sheets at elevated temperatures was modified.During the fire experiments with simple supported beams with mechanical and fire load it was found out that the temperatures measured in the connections above the fire protected supports are approximately half the values of temperatures reached at the midspan of the trapezoidal sheet. The initial phase of heating of the trapezoidal sheet connected to load-bearing structure by self-drilling screws is very important. Disadvantage for the common used connections of trapezoidal sheet is that the failure of the sheet in the initial phase of heating can occur, i.e. when the sheet is elongating. The forces which are in the support cause bearing failure of the connection, i.e. piling of the material in front of the fastener, elongation of the hole and tearing of the sheet. In this work two different adjustments at the end of the sheet were made: doubled sheet above the support along the whole length and width of the support and elongated holes for the self-drilling screws in the trapezoidal sheet at the support. Reduction factors for proof yield stress of steel kp,0.2,PK for permanent deformation 0.2 mm of trapezoidal sheets at elevated temperatures up to 800°C were proposed. Mechanical properties of steel which was before testing exposed to elevated temperatures till 1100°C reach lower values in comparison with mechanical properties of unexposed steel. The yield stress and yield strength of exposed steel are reduced in value up to 56%, resp. 64% in comparison to the steel which wasn't heated before tests.