Efectul actiunii focului asupra unei structuri metalice si reabilitarea acesteia

Actiunea focului asupra structurilor necesita intelegerea fenomenului de pierdere treptata a rezistentei si a rigiditatii cu cresterea temperaturii elementului structural afectat. Rezistenta la foc a structurilor prin prisma normativelor este utilizata in raport cu testarea in cuptor, utilizand o curba standard timp-temperatura in care temperatura nu se reduce niciodata si nu se refera la supravietuirea efectiva a structurii intr-un incendiu real. EN 1991-1-2 include trei curbe de foc standard, dar ofera si o metoda de modelare a incendiilor naturale parametrice.

Exemplul de fata prezinta studiul unei structuri care a supravietuit unui incendiu real si abordeaza aplicarea notiunilor teoretice prin prisma cuantificarii efectelor inregistrate in urma incendiului cu ajutorul tehnologiei de scanare 3D. Se evidentiaza aspectele complexe in ceea ce priveste definirea actiunii, fenomenele nonlineare petrecute in structura si se ofera scenarii simplificate de evaluare pe baza regulilor EN 1993-1-2 pentru stabilirea rezistentei la foc a unei structuri metalice al carei acoperis nu a fost protejat la actiunea focului. Desi un astfel de scenariu poate fi cu usurinta catalogat in categoria de rezistenta la foc de 10-15 minute, atat calculele simplificate efectuate, cat si comportamentul structurii in conditiile unui incendiu real demonstreaza o rezistenta la foc de min. 35-40 minute. Articolul prezinta degradarile constatate in urma incendiului la o structura metalica parter, avand functiunea de centru comercial (extinderea focului la toata structura a fost limitata de un perete rezistent la foc, degradarile importante fiind interceptate in zona de producere a incendiului), scenariile de calcul evaluate pe baza datelor culese din teren, precum si modul in care autorii au reusit reabilitarea structurii afectate de actiunea focului.

Conform procesului verbal de interventie al Inspectoratului pentru Situatii de Urgenta Sibiu, subunitatea Detasamentul de Pompieri Medias, s-a consemnat arderea unor stive de europaleti, baloti de cartoane din exteriorul depozitului, produse stocate in depozitul interior, spatiul tehnic si sub invelitoare.

Incendiul s-a propagat la invelitoarea exterioara si acoperis, depozitul arzand pe o suprafata de cca 500 mp. Figura 1 marcheaza aria afectata de actiunea incendiului prin hasura rosie.

Constructia are dimensiunile in plan de 36 m x 54 m (2 deschideri de 18 m si travei de 12 m, avand un singur stalp amplasat in interiorul spatiului comercial) si o inaltime totala de 7 m. Zona administrativa si de depozitare s-a dezvoltat pe o singura travee de 6 m, aceasta fiind separata de zona comerciala printr-un perete rezistent la actiunea incendiului, compus din structura metalica placata cu gips-carton, peretele avand grosime totala de 125 mm. Desi amplasarea peretelui rezistent la foc nu a respectat configuratia structurii (peretele a fost amplasat la cca 3 m fata de axul 6 (fig. 1 si 4), acesta a reusit sa limiteze propagarea incendiului din zona de izbucnire (depozit) spre zona comerciala.

Dupa scurt timp de la producerea evenimentului, spatiul a fost curatat de resturile carbonizate si s-a efectuat o scanare 3D a zonei afectate. Cu ajutorul tehnologiei de scanare 3D au fost interceptate cu exactitate deformatiile structurii sub forma unui nor de puncte, deformatii care ulterior s-au folosit in analiza comportarii structurii la actiunea incendiului, respectiv s-au creat modele realistice de evaluare a evolutiei temperaturii pe durata incendiului. In evaluarea efectelor cauzate de actiunea focului, s-au folosit deformatiile masurate ale structurii in punctele caracteristice alese.

Realizarea modelelor de  calcul pentru analiza structurii la actiunea focului

Pentru identificarea evolutiei temperaturii interioare in spatiul afectat de actiunea focului pe durata incendiului, s-a realizat un model structural (fig. 5) si s-a efectuat o analiza spatiala a structurii in vederea determinarii temperaturilor critice. Incarcarile asupra structurii cladirii au fost considerate cele corespunzatoare situatiei reale la momentul producerii incendiului (incarcari permanente + utile). Ulterior, s-a modelat efectul temperaturii asupra structurii in urma actiunii focului, aceasta fiind actiunea dominanta care a produs degradarile. In vederea simplificarii calculelor, s-a recurs la o analiza pe un cadru 2D izolat din structura, din zona cea mai afectata in urma incendiului (fig. 6).

Identificarea evolutiei temperaturii elementelor structurale pe un cadru transversal s-a facut incremental prin incercari succesive. In primul pas s-a aplicat o temperatura de 500 grade Celsius asupra elementelor de structura si s-a rulat o analiza liniara, pentru determinarea deformatiilor. Pentru analiza structurii, s-au creat materiale noi, avand caracteristici fizico-mecanice degradate (modul elasticitate E si limita de curgere f_y) corespunzatoare temperaturii de 500°C. Modulul de elasticitate a fost redus cu 38,3% fata de valoarea corespunzatoare temperaturii de 20 °C (210,000 N/mm2). Valoarea limitei de curgere in mod similar a fost redusa cu 52% (in functie de materialul folosit: S355, S275). Succesiv, s-a reluat analiza cu temperaturi mai inalte pe elementele afectate ale structurii si s-au comparat deformatiile calculate cu cele obtinute din  scanarea 3D, care reprezinta deformatiile finale ale cadrului (Tabelul 1). Rezultatele etapelor in pasi precum si diferentele masurate au fost inregistrate intr-un tabel si s-a reluat analiza cu cresterea graduala a temperaturii, pana cand valorile deformatiilor din calcule s-au apropriat de valorile obtinute din scanarea 3D. Analizele s-au efectuat cu programul ConSteel 14. Analizele iterative au avut ca tinta temperatura critica a structurii (fig. 8), determinata conform regulilor EN 1993-1-2 corelate cu deformatiile inregistrate in urma calculului, prin comparatie cu cele masurate. Pentru o mai buna corelare cu rezultatele masurate, ultimele iteratii s-au facut cu temperaturi inegale pe cele doua deschideri, rezultatele masurate indicand o severitate mai pronuntata a efectelor incendiului in zona punctului 1 fata de cel similar din deschiderea adiacenta (punct 7), ceea ce confirma si temperaturi mai ridicate in mecanismul de incalzire sub actiunea focului.

Considerand deformatiile in cazul in care structura s-a incarcat cu variatii de temperatura neuniforma pe directie transversala, rezultatele obtinute au fost mai apropiate in ultima iteratie fata de cele masurate pe releveul cu nor de puncte. Analizele efectuate reproduc efectele incendiului, pentru variatia temperaturii folosind curba standard de incendiu ISO 834.

Dupa estimarile efectuate pe baza deformatiilor inregistrate din calcul putem presupune ca temperatura pe partea stanga a structurii a ajuns la un nivel intre 800°C – 850°C, in timp ce pe partea dreapta temperatura s-a incadrat in intervalul 700°C – 750°C.

Principala critica a curbei standard ISO 834 este ca aceasta nu contine fenomenul de scadere a temperaturii dupa  epuizarea materialelor combustibile, asa cum se intampla in cazul unui incendiu natural. In acelasi timp, informatiile culese din teren nu permit refacerea scenariului de incendiu cu locul exact si cantitatea exacta a sarcinii combustibile, campul de distributie a temperaturilor, evolutia incendiului si efectele rezultate din actiunea echipajului de pompieri. De aceea, rezultatele analizei structurii le tratam ca pe o comparatie intre efectele obtinute aplicand pe structura o distributie de temperatura ce se dezvolta dupa o situatie ipotetica si efectele inregistrate in urma unui incendiu real. O analiza mai aprofundata s-ar putea face cu ajutorul unei curbe de temperatura parametrica, generata conform dimensiunilor spatiului analizat, cu localizarea golurilor in pereti/acoperis, cantitate estimata de material combustibil si dispunerea acestuia in interior conform functiunii, din care sa obtinem atat ciclul de crestere a temperaturii cat si descresterea acesteia dupa combustie. Analiza cu curba parametrica (EN 1993-1-2 permite acest lucru) tot ipotetica ar fi folosind informatiile precizate, dar probabil ar fi mai realista prin plasarea materialelor combustibile in locul real in care acestea au fost depozitate.

Calculul temperaturii critice dupa metodologia EN 1993-1-2

Pentru determinarea temperaturii critice s-au folosit doua aplicatii diferite: ConSteel V14 si Elefir. La determinarea teoretica a temperaturii critice, combinatia accidentala de incarcare include urmatoarele incarcari: permanente + tehnologice, zapada si vant. Chiar daca la momentul producerii incidentului nu s-au inregistrat incarcari din zapada sau incarcari notabile ca urmare a  actiunii vantului, combinatia speciala in situatii de incendiu folosit pentru calcul a inclus incarcarile din vant si zapada, in vederea aflarii rezistentei teoretice la foc a structurii. Dupa rularea analizei cu combinatia de incarcari accidentale, au rezultat valorile pentru temperatura critica a elementelor structurale din figura 8. Pentru a atinge aceasta temperatura, timpul necesar estimat prin calcule a rezultat intre 35 (ConSteel) si 38 minute (Elefir).

Reabilitarea structurii

Elementele structurale puternic afectate de actiunea focului au necesitat inlocuire, insa prezenta peretelui rezistent la foc a reusit limitarea propagarii incendiului si implicit degradarile in structura. Deformatiile remanente din zona afectata au indus eforturi parazitare in structura, dar fara efecte permanente. Prin eliminarea zonelor deformate, eforturile acumulate s-au eliberat.

Pentru a mari stabilitatea structurii consolidate, s-au luat masuri de contravantuire si a panelor de acoperis in plan transversal, prin amplasarea unor tiranti metalici Φ20 S275 intre talpile inferioare ale fermelor de tip „macaz”, precum si a unor contravantuiri in X in plan vertical in prima si ultima deschidere dintre pane (fig. 11). Atat contravantuirile de acoperis, cat si tirantii de stabilizare a panelor au fost dimensionati dintr-un calcul al intregii structuri, conform conditiilor structurii refacute. Dupa ce s-a finalizat consolidarea structurii, prin completarea contravantuirilor de acoperis si tiranti pentru pane ale acoperisului, s-au inlaturat invelitoarea si panele + contravantuirile de acoperis, pe toata latimea cladirii, intre axele A si C, din axul 4 pana in axul 6. Dupa aceste operatiuni, s-au demontat fermele din axele A si C, impreuna cu stalpii de inchidere, din axul 4 pana in axul 6. Concomitent s-a demontat structura de tip copertina din axul 6 pana in axul 6’, integral afectata de incendiu.

S-au demontat grinzile longitudinale din axele A si C, urmate de grinzile cu zabrele transversale, din axele 5 si 6. Grinda longitudinala din axul B s-a demontat pana la mijlocul distantei dintre axele 4 si 5, pana in dreptul imbinarii cu suruburi. Partea ramasa in consola a fost sprijinita de un esafodaj spatial amplasat in axul 4’. Pentru a mari stabilitatea laterala a esafodajului pe toata durata demontarii structurii afectate de incendiu, s-au prevazut popi inclinati la 45° atat pe directie longitudinala cat si transversal, in vederea contracararii efectelor tensiunilor reziduale acumulate in structura din cauza efectelor de supraincalzire si racire rezultate din actiunea focului, evidentiate si prin deformatiile exagerate – prezente in structura.

Dupa demontarea elementelor structurale afectate de incendiu, s-au inlaturat esafodajele din axele 5 si 6, ramanand intact cel din axul 4’, care a sustinut grinda longitudinala din axul B, pana la refacerea integrala a structurii indepartate, conform documentatiei tehnice emise in acest scop. Pentru demontarea stalpilor de sustinere de la intersectia axelor A, B si C, cu axele 5 si 6, trebuia indepartat stratul de acoperire din beton de peste aparatul de reazem. Deoarece efectele incendiului nu au reusit sa patrunda pana la nivelul placii de baza a stalpilor, s-a renuntat la indepartarea betonului si s-a pastrat baza stalpilor prin taierea si indepartarea zonelor afectate de incendiu. Astfel s-a pastrat integritatea buloanelor de ancorare. Stalpii noii structuri s-au sudat la fata locului pe sectiunile pastrate si  s-au fixat pe piesele de ancorare existente.

Discutia rezultatelor obtinute si concluzii

Actiunea focului asupra structurilor este o situatie accidentala de incarcare, dificil de evaluat in faza de proiectare. Stabilirea incarcarii din temperatura pe structura analizata contine multe aspecte, care pot diferi de o situatie reala, de aceea orice analiza post-incendiu si compararea cu situatia ipotetica poate dezvalui noi elemente in patrunderea mai profunda a acestui caz special de incarcare.

Concluziile ce pot fi desprinse din acest studiu sunt urmatoarele:

• Prin incercari iterative de incarcare a structurii cu variatia de temperatura dezvoltata ca urmare a actiunii focului, s-a estimat temperatura la care cu mare probabilitate a ajuns structura pe durata unui incendiu real. Valorile obtinute prin calculul iterativ sunt valori estimative, date fiind incertitudinile care planeaza asupra datelor de intrare, si se bazeaza pe ipoteza variatiei temperatura – timp standard ISO 834. Curba ISO 834 este o abordare defavorabila, care opereaza cu cresterea permanenta a temperaturii si nu include situatia de scadere a temperaturii dupa epuizarea sarcinilor termice. Cu metoda iterativa descrisa s-a demonstrat ca structura analizata a ajuns la temperaturi cuprinse intre 750°C -850°C, distributia temperaturii fiind neuniforma, fara insa a se inregistra colapsul partial al zonei de structura afectate;
• Prin metoda dezvoltata si cu ajutorul programului ConSteel 14 s-a estimat temperatura critica a structurii analizate, folosind abordarea standard de calcul al temperaturii critice conform SR EN 1993-1-2. Tabelul 1 include 10 puncte pentru care a fost estimata temperatura critica. Chiar daca temperatura critica cea mai scazuta rezultata din acest calcul (774°C – in punctul 4 – talpa inferioara a fermei la conexiunea cu stalpul central) se incadreaza in intervalul estimat prin calculul teoretic, nu s-a produs colapsul partial al structurii in zona afectata;
• Conform calculului temperaturii critice pe doua cai alternative (ConSteel si Elefir), timpul necesar pentru a se atinge aceasta temperatura critica este cuprins in intervalul 34-38 minute. Conform informatiilor din teren, expunerea structurii a fost peste timpul calculat (cca 50 minute) fara a se inregistra colapsul partii afectate din structura. Calculele in aceasta situatie particulara confirma abordarea conservatoare a metodologiei de calcul Eurocode;
• S-a utilizat cu succes metoda scanarii 3D a efectelor de degradare produse dupa incendiu pentru dezvoltarea unor metode simplificate de calcul si verificare a structurilor metalice. Localizarea deformatiilor si marimea acestor deformatii masurate ne poate ajuta in intelegerea mai profunda a efectelor pe care o astfel de actiune le poate produce pe o structura afectata;
• Structura metalica analizata solicitata la temperaturi ridicate asociate nivelului de temperatura critica a suferit deformatii excesive insa nu a cedat. Structura ramasa in picioare si deformatiile remanente inregistrate au fost folosite ca indicii in analizele de structura ulterioare;
• Structura afectata de actiunea focului a necesitat interventii, insa in proportie de 70% a putut fi salvata datorita unui perete antifoc, care a reusit sa impiedice propagarea incendiului dintr-un compartiment de incendiu in altul;
• Structura de fata s-a deformat excesiv, s-a torsionat, a produs flambaj local, dar nu a cedat. Un rol important l-a avut gradul redus de utilizare, astfel elementele fermei afectate din structura au rezistat la o temperatura in jur de 800°C fara a dispune de protectie la foc;
• Parcurgerea procesului de reabilitare a structurii a necesitat o gandire total diferita fata de cazul proiectarii uzuale a unei structuri metalice.

Bibliografie

[1] SR EN 1991-1-2/2004 – Actiuni generale. Actiuni asupra structurilor expus la foc;

[2] SR EN 1993-1-1/2006 – Proiectarea structurilor metalice. Reguli generale si reguli pentru cladiri;

[3] SR EN 1993-1-2/2006 – Proiectarea structurilor metalice. Calculul structurilor la foc;

[4] Raul Zaharia, Analiza structurala la actiunea focului – Principii de calcul (http://fire.fsv. cvut.cz/fracof/ro/texts/Calculul%20 la%20actiunea%20focului.pdf);

[5] Jean-Marc Franssen, Paulo Vila Real, Fire Design of Steel Structures 2nd Edition;

[6] Aplicatie ConSteel la www.consteelsoftware.com;

[7] Aplicatie Elefir la http:// elefiren.web.ua.pt/download.aspx

Autori:

Zsolt Nagy – Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Construcţii, Departamentul de Structuri

Csaba Zajzon – Gordias SRL, Cluj-Napoca

(Din AICPS Review – 2/2021) 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 193 – iulie 2022, pag. 32