1. WPROWADZENIE
Pożary pozostają istotnym zagrożeniem dla życia i mienia we wszystkich typach konstrukcji. Mogą zagrażać stateczności elementów betonowych i prowadzić do ich częściowego lub całkowitego zawalenia. Bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji jest zatem podstawowym wymogiem we wszystkich głównych przepisach budowlanych, w tym w Eurokodach. Eurokody określają minimalny czas trwania odporności ogniowej elementów konstrukcyjnych i ich połączeń, aby zapewnić bezpieczną ewakuację, skuteczne prowadzenie operacji ratownicze, kontrolowane tłumienie ognia oraz spełnienie innych wymagań związanych z bezpieczeństwem pożarowym (patrz rys. 1).

Rys. 1. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa pożarowego we wszystkich typach budynków

Wklejane pręty zbrojeniowe powszechnie stosuje się do łączenia elementów betonowych wylewanych w różnym czasie, tworząc monolityczne konstrukcje składające się z dotychczasowych i nowych elementów. Stanowią one niezawodne, szybkie i ekonomiczne rozwiązanie zarówno w zaplanowanych, jak i nieprzewidzianych pracach budowlanych. Potrzeba używania wklejanych prętów zbrojeniowych wynika często z nieplanowanych sytuacji, np. pominięcia betonowanych prętów zbrojeniowych lub łączników z dyblami / prętami kotwiącymi. W przypadku zaplanowanych prac budowlanych również może zaistnieć potrzeba optymalizacji i przyspieszenia przepływu pracy. Ponadto wymóg dotyczący takich połączeń ma duże znaczenie przy wzmacnianiu/modernizacji budynków i obiektów budowlanych.

Podczas gdy przepisy budowlane zawierają jasne wytyczne dotyczące projektowania tradycyjnych systemów żelbetowych pod kątem bezpieczeństwa pożarowego, zwykle przy użyciu danych tabelarycznych lub uproszczonych metod, alternatywne metody budowy, takie jak stosowanie wklejanych prętów zbrojeniowych, wymagają bardziej zaawansowanych podejść projektowych i oceny technicznej ze względu na wyraźne oddziaływania termiczne i fizyczne żywic iniekcyjnych w porównaniu z betonem i stalą. Obowiązkiem inżyniera budowlanego jest zapewnienie, że takie systemy spełniają określone wymagania w zakresie bezpieczeństwa pożarowego.
Przeanalizujmy zatem procedurę projektowania wklejanych prętów zbrojeniowych w kontekście warunków pożarowych.

2. KLASYFIKACJA ZASTOSOWAŃ WKLEJANYCH PRĘTÓW ZBROJENIOWYCH
Zakres zastosowań wklejanych prętów zbrojeniowych można podzielić na łączenie prętów na zakład, które stosuje się do przedłużania elementów takich jak płyty, belki, ściany lub słupy, a także zakotwienia końcowe, które łączą elementy budowlane, takie jak płyty ze ścianami lub słupy z płytami, z uwzględnieniem lub bez uwzględnienia oddziałujących momentów (patrz rys. 2).

Rys. 2. Ogólna klasyfikacja zastosowań wklejanych prętów zbrojeniowych

Swobodnie podparte zakotwienia końcowe przenoszą obciążenia ścinające lub osiowe bez momentów, przykładowo w płycie podpartej na ścianie. Jednak w praktyce wiele połączeń zachowuje się jak połączenia półsztywne lub sztywne, w których powstają momenty wynikające z częściowego lub pełnego mocowania między elementami betonowymi, takimi jak słupy, ściany lub płyty. Przepisy dotyczące projektowania zawarte w normie EN 1992-1-1 ograniczają takie sztywne połączenia do konfiguracji polegających na łączeniu na zakład, które nie zawsze może być wykonalne w przypadku modernizacji konstrukcji lub etapowanych projektów budowlanych. Aby rozwiązać ten problem, w Raporcie Technicznym EOTA TR 069 zawarto metodologię projektowania, która umożliwia wykonywanie sztywnych zakotwień końcowych przy użyciu prostych połączeń z użyciem wklejanych prętów zbrojeniowych, dzięki czemu nie trzeba stosować łączenia na zakład w istniejących elementach konstrukcyjnych.

3. PODSTAWOWE RÓŻNICE MIĘDZY BETONOWANYM PRĘTEM ZBROJENIOWYM A WKLEJANYM PRĘTEM ZBROJENIOWYM W WARUNKACH NARAŻENIA NA DZIAŁANIE OGNIA
W warunkach narażenia na działanie ognia wklejane pręty zbrojeniowe zachowują się zupełnie inaczej niż betonowane pręty zbrojeniowe ze względu na określone właściwości termiczne i mechaniczne żywic iniekcyjnych (patrz rys. 3). Przyczepność do podłoża żywic organicznych gwałtownie spada wraz ze wzrostem temperatury, a stopień ich degradacji jest w dużym stopniu zależny od produktu. Ponieważ żywice organiczne i hybrydowe tracą swoje właściwości w znacznie niższych temperaturach niż stal lub beton, zrozumienie ich zależnej od temperatury redukcji przyczepności do podłoża jest niezbędne do dokładnego projektowania konstrukcji z uwzględnieniem warunków pożarowych. Żywicę iniekcyjną HIT-FP 700-R firmy Hilti opracowano jako nieorganiczną, glinową zaprawę cementową, która charakteryzuje się bardzo niską redukcją przyczepności do podłoża w podwyższonych temperaturach, tj. powyżej 500°C.

Rys. 3. Krzywe redukcji parametrów użytkowych żywic iniekcyjnych, betonu i stali w warunkach narażenia na działanie ognia

Na profil rozkładu temperatury w zastosowaniach wklejanych prętów zbrojeniowych wpływają otulina betonu, długość osadzenia i czas narażenia na działanie ognia. W zastosowaniach wklejanych prętów zbrojeniowych z łączeniem na zakład rozkład temperatury w stosunku do długości osadzenia jest zwykle stały dla większości typowych scenariuszy (patrz rys. 4a). W zastosowaniach związanych z kotwieniem końcowym rozkład temperatury zwykle zmienia się w stosunku do długości osadzenia wklejanych prętów zbrojeniowych (patrz rys. 4b). 

Rys. 4. Typowy rozkład temperatury w połączeniach z wykorzystaniem wklejanych prętów zbrojeniowych

4. RAMOWE ZASADY PROJEKTOWANIA I BRAKUJĄCE OGNIWO
Projektowanie wklejanych prętów zbrojeniowych nie zostało bezpośrednio opisane w normach EN 1992-1-1 (przypadki statyczne) i EN 1992-1-2 (warunki pożarowe). Podejścia dotyczące weryfikacji projektów z uwagi na warunki pożarowe z uwzględnieniem betonowanych prętów zbrojeniowych opisano w normie EN 1992-1-2 w formie:

1. Danych tabelarycznych: stosowanie minimalnej geometrii i otulin betonu dla różnych klas narażenia na działanie ognia.
2. Uproszczonych obliczeń: zredukowana analiza przekroju poprzecznego w warunkach pożaru przy użyciu metody izotermy lub metody strefowej. 
3. Metody zaawansowanej: zaawansowane symulacje termiczno-mechaniczne w oparciu o analizę elementów skończonych całej konstrukcji.

Podejście oparte na danych tabelarycznych jest najczęściej stosowane w praktyce i polega na zasadzie, że detale elementu konstrukcyjnego sprawiają, że temperatura stali zbrojeniowej nigdy nie przekracza 500°C. W takich warunkach przypadek projektowania z uwagi na warunki pożarowe nie jest decydujący. Takiego podejścia nie można bezpośrednio stosować w odniesieniu do wklejanych prętów zbrojeniowych, ponieważ przyczepność do podłoża żywic organicznych gwałtownie spada w temperaturach znacznie niższych niż 500°C (patrz rys. 3). Wymaga to często stosowania grubszej otuliny betonu lub większych długości osadzenia – rozwiązań, które mogą być niepraktyczne lub nieopłacalne z perspektywy istniejących elementów konstrukcyjnych. Ponadto obecne przepisy dotyczące projektowania zawarte w normie EN 1992-1-1 ograniczają możliwość stosowania wklejanych prętów zbrojeniowych w łączeniu na zakład i zakotwieniach końcowych bez momentów. Aby rozwiązać ten problem, raport EOTA TR 069 wprowadził metodę projektowania zakotwień końcowych z uwzględnieniem oddziałujących momentów, w oparciu o lepszą charakterystykę wytrzymałości na rozłupywanie. Choć wcześniej ograniczano się wyłącznie do przypadków statycznych i sejsmicznych, w EOTA TR 069 zawarto metodologię projektowania z uwagi na warunki pożarowe, dzięki czemu inżynierowie mogą tworzyć zastosowania z wykorzystaniem odpornych na oddziaływanie momentów wklejanych prętów zbrojeniowych zapewniających odporność ogniową do 240 minut. Rozwiązanie to wypełnia krytyczną lukę w projektowaniu konstrukcji (patrz tabela 1).

Tabela 1. Ramowe zasady projektowania zastosowań wklejanych prętów zbrojeniowych

Rys. 5. Projektowanie połączeń na zakład w warunkach narażenia na działanie ognia

Projektowanie zakotwień (bez oddziałujących momentów) w warunkach narażenia na działanie ognia zgodnie z Eurokodem:
Zasady projektowania w warunkach narażenia na działanie ognia są w tym przypadku podobne do połączeń na zakład – stosuje się podobne podejście z uwzględnieniem zmniejszonej przyczepności do podłoża według odpowiedniej ETA. Jednak w przypadku punktów zakotwień końcowych/przecięcia rozkład temperatury zwykle zmienia się wzdłuż długości osadzenia pręta zbrojeniowego (patrz rys. 6). Oblicza się naprężenie obliczeniowe wywierane na połączenie z podłożem w punkcie „x” wzdłuż długości zakotwienia od punktu styku w warunkach pożaru 〖(f〗_(bd,fi)), a nośność na oderwanie od podłoża w warunkach pożaru (N_(Rd,fi)) dla zakładanej, obliczeniowej długości zakotwienia wklejanego pręta zbrojeniowego określa się z zastosowaniem metody całkowania. Długość ta nie może być mniejsza niż N_(Ed,fi), co wymaga iteracyjnego procesu projektowania.

Przepisy Eurokodu dotyczące projektowania zakotwień końcowych z uwagi na warunki pożarowe obowiązują tylko w odniesieniu do zakotwień swobodnie podpartych (bez oddziałujących momentów) – nie dotyczą zastosowań, w których te momenty występują. Ocena techniczna jest wymagana w celu uwzględnienia wpływu częściowego zamocowania połączeń betonowych na górny pręt zbrojeniowy w takich zastosowaniach związanych z zakotwieniem końcowym swobodnie podpartym.

Rys. 6. Projektowanie zakotwień końcowych bez oddziałujących momentów w warunkach zagrożenia pożarowego zgodnie z Eurokodem

Projektowanie zakotwień końcowych z uwzględnieniem oddziałujących momentów w warunkach zagrożenia pożarowego zgodnie z EOTA TR 069
Do oceny nośności ze względu na wyłamanie stożka betonowego w warunkach pożaru stosuje się metodę temperaturową. W przeciwieństwie do metody czasowej, podejście to nie jest ograniczone czasem trwania pożaru i obowiązuje dla dowolnych czasów narażenia na działanie ognia, w tym dla czasów przekraczających 120 minut (do 240 minut i ewentualnie dłuższych). Obliczeniową nośność ze względu na wyłamanie stożka betonowego N_(Rd,c,fi) dla określonego czasu narażenia na działanie ognia ustala się zgodnie z krokami określonymi w przepisach EOTA TR 069.
Do oceny nośności obliczeniowych na wyciąganie i rozłupanie wykorzystuje się współczynniki redukcji dla wyciągania i rozłupania (w funkcji temperatury) wynikające z odpowiednich ETA, na podstawie których wyprowadza się krzywe spadku nośności w stosunku do profilu temperatury danego zastosowania (patrz rys. 7). Długości obliczeniowe zakotwienia dla nośności na rozłupanie i wyciąganie oraz całkowitą nośność ogniową konstrukcji oblicza się metodą całkowania.

Rys. 7. Projektowanie zakotwień z uwzględnieniem oddziałujących momentów w warunkach narażenia na działanie ognia zgodnie z EOTA TR 069

6. ROZWIĄZANIA – PRODUKTY HILTI
Firma Hilti oferuje asortyment żywic iniekcyjnych, zatwierdzonych do projektowania konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe z wykorzystaniem wklejanych prętów zbrojeniowych. Są to żywice HIT-HY 200, HIT-RE 500 i HIT-FP 700R. Żywica HIT-FP700R wyróżnia się doskonałymi parametrami użytkowymi w podwyższonych temperaturach i jest często preferowana do projektowania połączeń na zakład z uwagi na warunki pożarowe. 
HIT-HY200 i HIT-RE 500 to preferowane żywice przy projektowaniu zakotwień końcowych z uwagi na warunki pożarowe, nawet w zastosowaniach z oddziałującymi momentami i wymaganiami dotyczącymi odporności ogniowej (R) nawet do 240 minut.

7. PROJEKTOWANIE PRZY UŻYCIU OPROGRAMOWANIA PROFIS ENGINEERING
Aby opracować w pełni zgodny z przepisami i bezpieczniejszy projekt połączeń beton-beton, wystarczy skorzystać z zastrzeżonego oprogramowania PROFIS ENGINEERING firmy Hilti, aby uzyskać szybkie, wydajne i niezawodne rozwiązania. Dzięki zaawansowanemu modułowi do projektowania wklejanych prętów zbrojeniowych, oprogramowanie PROFIS oferuje najnowsze symulacje pożarowe o różnych parametrach, umożliwiając projektantom dokonywanie oceny na podstawie bardziej realistycznych parametrów użytkowych prętów zbrojeniowych i żywic iniekcyjnych w podwyższonych temperaturach. Oprogramowanie PROFIS pozwala na wybór czasu narażenia na działanie ognia do 240 minut dla każdego zastosowania z wklejanymi prętami zbrojeniowymi. Temperaturę prętów zbrojeniowych można również wprowadzić ręcznie. Wkrótce do oprogramowania dodana zostanie opcja wyboru stron narażenia na działanie ognia dla różnych zastosowań. PROFIS umożliwia szybkie porównywanie różnych zatwierdzonych żywic iniekcyjnych pod wieloma obciążeniami (statycznymi, sejsmicznymi i ogniowymi) i natychmiast wskazuje optymalne rozwiązanie, oszczędzając czas pracy i zwiększając dokładność projektu.

8. ROZWIĄZANIA HILTI SPEC2SITE™
Firma Hilti oferuje szereg wysokiej klasy rozwiązań dla połączeń konstrukcyjnych z wykorzystaniem wklejanych prętów zbrojeniowych w warunkach narażenia na działanie ognia. Chcemy w ten sposób ułatwić naszym użytkownikom wybór najlepszego rozwiązania, które jest optymalne do ich zastosowania. W tym celu oferujemy SPEC2SITE™ – rozwiązanie, dzięki któremu każdy projekt będzie wydajniejszy, bezpieczniejszy i bardziej zrównoważony. SPEC2SITE™ obejmuje kompleksowy asortyment rozwiązań w zakresie projektowania z uwagi na warunki pożarowe dla wklejanych prętów zbrojeniowych, a także różne metody projektowania, wysokiej klasy produkty, oprogramowanie do projektowania, usługi, dokumentację dostępną w naszym centrum technicznym oraz możliwość bezpośredniego kontaktu z naszym sprzedawcą (patrz rys. 8). 

Rys. 8. Oferta SPEC2SITE™ firmy Hilti do zastosowań związanych z wklejanymi prętami zbrojeniowymi w warunkach narażenia na działanie ognia

Jeśli potrzebujesz więcej informacji i wsparcia w zakresie projektowania z uwagi na warunki pożarowe z wykorzystaniem wklejanych prętów zbrojeniowych, zapoznaj się z Opracowaniem dotyczącym projektowania z uwagi na warunki pożarowe z wykorzystaniem wklejanych prętów zbrojeniowych firmy Hilti.