ANTONI BIEGUS PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH WEDŁUG EUROKODU 3 BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE KONSTRUKCJI STALOWYCH WYKŁADY

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA LĄDOWEGO I WODNEGO Instytut Budownictwa ANTONI BIEGUS PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH WEDŁUG EUROKODU 3 BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE KONSTRUKCJI STALOWYCH WYKŁADY WROCŁAW, 2013

2 2 Spis treści 1. Podstawy, oddziaływania i metody projektowania Wprowadzenie Ognioodporność budynków i elementów konstrukcyjnych Podstawy projektowania konstrukcji Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru wg PN-EN Metody projektowania konstrukcji na warunki pożarowe wg Eurokodów Zabezpieczenia ognioochronne konstrukcji stalowych Właściwości mechaniczne stali węglowych w podwyższonej temperaturze Zachowanie się elementów stalowych bez izolacji termicznej Zachowanie się elementów stalowych izolowanych termicznie Sposoby zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowych Systemy zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji stalowych Środki pasywne termicznie Środki aktywne termicznie Uwagi i wnioski końcowe Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe Wprowadzenie Proste metody projektowania konstrukcji stalowych na warunki pożarowe Metoda temperatury krytycznej Temperatura krytyczna elementu stalowego Analiza termiczna elementów stalowych bez izolacji ogniochronnej Analiza termiczna elementów stalowych z izolacją ogniochronną Metoda nośności Wprowadzenie Właściwości stali w podwyższonej temperaturze Klasyfikacja przekrojów Obliczeniowa nośność elementu na rozciąganie Obliczeniowa nośność elementów ściskanych o przekrojach klasy 1, 2 i Obliczeniowa nośność elementów zginanych o przekrojach klasy 1, 2 i Obliczeniowa nośność przekroju na ścinanie Nośność elementów o przekrojach klasy Obliczeniowa nośność elementów jednocześnie ściskanych i zginanych Obliczanie odporności ogniowej elementów stalowych na podstawie nomogramów Literatura.. 59

3 3 P O D Z I Ę K O W A N I E Autor serdecznie dziękuje Panu mgr. inż. S ławomirowi ROWIŃSKIEMU za trud korekty pracy i wniesione uwagi redakcyjne oraz merytoryczne

4 4 Prof. dr hab. inż. Antoni Biegus Bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji stalowych 1. Podstawy, oddziaływania i metody projektowania 1.1. Wprowadzenie Pożary obiektów budowlanych są nie tylko przyczyną ogromnych strat materialnych, ale powodują też ciężkie obrażenia i niekiedy śmierć wielu ofiar. W trakcie pożaru wzrasta temperatura konstrukcji nośnej obiektu. Wówczas najczęściej następuje degradacja właściwości mechanicznych materiałów ustroju nośnego, w konsekwencji czego zmniejsza się nośność graniczna konstrukcji (zwiększa się zaś jej odkształcalność), prowadząca do wyczerpania wytrzymałości i awarii lub katastrofy obiektu. Oddziaływanie pożarowe jest więc realnym zagrożeniem bezpieczeństwa obiektu, które stanowi przede wszystkim niebezpieczeństwo dla ludzi, a także powstania strat materialnych. Ponadto w trakcie pożaru, bardzo często wydzielające się toksyczne gazy (w wyniku rozkładu termicznego np. tworzyw sztucznych) powodują ciężkie uszkodzenia zdrowia ofiar lub ich śmiertelne zatrucie. Głównym celem ochrony przeciwpożarowej budowli jest ograniczenie ryzyka pożaru z poszanowaniem jednostki i społeczeństwa, sąsiadującego mienia, a także, jeśli jest to wymagane, środowiska lub mienia bezpośrednio poddanego oddziaływaniu pożaru. Obiekty budowlane powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby w przypadku pożaru: nośność konstrukcji mogła być zapewniona przez założony okres czasu, powstanie i rozprzestrzenienie się ognia i dymu w obiektach było ograniczone, rozprzestrzenianie się ognia na sąsiednie obiekty było zminimalizowane, mieszkańcy mogli opuścić obiekt lub być uratowani w inny sposób, było uwzględnione bezpieczeństwo ekip ratowniczych. W ocenie niezawodności konstrukcji analizując stan graniczny nośności, należy badać nie tylko kryteria bezpieczeństwa związane z wytrzymałością w trakcie normalnej eksploatacji, ale też kryteria odporności ogniowej. Bezpieczeństwo pożarowe jest więc wymogiem podstawowym, który zgodnie z Eurokodami [7][14] musi spełniać obiekt budowlany.

5 5 Normy pożarowe to części 1-2 Eurokodów odnoszących się do oceny oddziaływań w trakcie pożaru - PN-EN 1991 [8] oraz projektowania w warunkach pożaru konstrukcji: betonowych - PN-EN 1992 [9], stalowych - PN-EN 1993 [10], zespolonych stalowobetonowych - PN-EN 1994 [11], drewnianych - PN-EN 1995 [12], murowych - PN-EN 1996 [13] i aluminiowych - PN-EN 1999 [14]. Eurokody konstrukcyjne [5][10] są to normy powiązane z ich częściami 1-1 (dotyczącymi projektowania w warunkach normalnych ), a ujęcie projektowania w warunkach pożaru w częściach 1-2 świadczy m.in. o randze tej problematyki. Eurokody [8][14] zawierają postanowienia dotyczące oceny niezawodności konstrukcji w warunkach rozgorzenia pożaru. Przed ich wprowadzeniem do zbioru Polskich Norm brak było podobnych krajowych norm PN-B dotyczących projektowania konstrukcji budowlanych w warunkach pożaru. Tym też częściowo należy tłumaczyć, że często w krajowej praktyce projektowej bezpieczeństwo pożarowe nie jest właściwie uwzględniane. Odnotowywane liczne przypadki pożarów budowli i związane z nimi duże straty materialne świadczą o stosunkowo małej wiedzy projektantów dotyczącej strategii oraz inżynierii pożarowej. Eurokody [8][14] dotyczące projektowania konstrukcji budynków z uwagi na warunki pożarowe oferują obecnie szeroki wachlarz metod obliczeniowych. W celu spełnienia wymagań bezpieczeństwa pożarowego zgodnych z krajowymi przepisami budowlanymi, umożliwiają one projektowanie według metody tradycyjnej lub też metod opartych na właściwościach, zgodnie z inżynierią bezpieczeństwa pożarowego. Metody oparte na właściwościach wymagają na ogół bardziej złożonej analizy obliczeniowej i pozwalają na dokładniejsze spełnienie celów zabezpieczenia pożarowego. Zgodnie z PN-EN 1990 [7] stany graniczne nośności (stany poprzedzające katastrofę, które dla uproszczenia uważane są za samą katastrofę) odnoszą się do bezpieczeństwa ludzi i/lub bezpieczeństwa konstrukcji, a w niektórych okolicznościach także dotyczą ochrony zawartości budowli. Na rys. 1 i 2 pokazano widok hali produkcyjno-magazynowej. W trakcie jej pożaru całkowitemu zniszczeniu uległy urządzenia produkcyjno-technologiczne, których wartość przekraczała kilkukrotnie wartość budowlaną tego obiektu. W tym przypadku przyczyną bardzo dużych strat materialnych było niewłaściwe uwzględnienie w projekcie ochrony wyposażenia i budowli w warunkach pożaru. Między innymi nie zastosowano ściany ognioochronnej oddzielającej część produkcyjną obiektu od jej części magazynowej, zastosowano dachowe płyty warstwowe z łatwopalną izolacją termiczną, która umożliwiła rozprzestrzenienie się pożaru w całym obiekcie.

6 6 Rys. 1. Widok dachu hali produkcyjno-magazynowej po pożarze Rys. 2. Przykład zdeformowanej płatwi po pożarze w hali produkcyjno-magazynowej

7 1.2. Ognioodporność budynków i elementów konstrukcyjnych 7 Ognioodporność jest wyrażana jako czas, w którym element obiektu budowlanego (nośny lub/i osłonowy) może wytrzymać działanie ognia, nie tracąc określonej swojej funkcji (elementu nośnego lub/i elementu oddzielającego). Klasyfikuje się ją za pomocą następujących kryteriów właściwości: - nośności R (fire resistance), która jest wytrzymałością elementu nośnego na działanie ognia podczas trwania pożaru, bez utraty stateczności konstrukcyjnej (rys. 3a); - izolacyjności I (fire isolation), która jest zdolnością elementu oddzielającego poddanego działaniu ognia z jednej strony do ograniczenia wzrostu temperatury powierzchni nieosłoniętych poniżej określonych wartości granicznych wynoszących 140 o C (średnio) i 180 o C (maksymalnie), w celu zapobieżenia zapłonowi na powierzchniach przyległych (rys. 3b); - szczelności E (fire étachéité), która jest zdolnością elementu oddzielającego poddanego działaniu ognia z jednej strony do ograniczenia powstania szczelin o znacznych rozmiarach, w celu zapobieżenia przenikaniu gorących gazów i rozprzestrzenianiu ognia na przyległe pomieszczenia (rys. 3c). Rys. 3. Kryteria ognioodporności elementów konstrukcyjnych [17] W analizie bezpieczeństwa konstrukcji w warunkach pożaru należy badać: stan graniczny nośności ogniowej R, w którym poddany dodatkowo działaniu ognia obciążony element konstrukcyjny przestaje spełniać swoją funkcję nośną (występuje wyczerpanie wytrzymałości, duże odkształcenia, utrata stateczności), stan graniczny izolacyjności ogniowej I, w którym element przestaje spełniać swoją funkcję oddzielającą, w wyniku przekroczenia granicznej temperatury jego powierzchni nienagrzewanej,

8 8 stan graniczny szczelności ogniowej E, w którym element przestaje spełniać swoją funkcję oddzielającą, na skutek pojawienia się jego powierzchni nagrzanej płomieni lub wystąpienia szczelin przekraczających graniczne rozwartości lub/i długości. Stan graniczny nośności ogniowej R dotyczy wyczerpania wytrzymałości elementu, czyli zdolności przenoszenia przyłożonych do niego obciążeń. Stany graniczne ogniowej izolacyjności I oraz szczelności E dotyczą głównie elementów stanowiących przegrody budynków (ściany i stropy) zwłaszcza tych, które ograniczają strefy pożarowe. Wyczerpanie izolacyjności I oraz szczelności E wiążę się z ułatwionym rozprzestrzenianiem się pożaru w sąsiedztwie strefy pożarowej. Należy zauważyć, że nośność R jest wymagana w przypadku wszystkich elementów nośnych konstrukcji. Natomiast wymagania izolacyjności I oraz szczelność E dotyczą elementów oddzielających, takich jak płyty stropowe i ściany, stanowiących granice stref ogniowych. Odporność ogniową elementów konstrukcyjnych t fi, d mierzy się czasem wyrażonym w minutach, który upływa od rozgorzenia pożaru do momentu osiągnięcia jednego z w/w stanów granicznych. Dlatego w przepisach przeciwpożarowych, zależnie od klasy użytkowej budynku, wymagania odporności ogniowej jego elementów wynoszą: 15 minut (R 15), 30 minut (R 30), 60 minut (R 60), 120 minut (R 120) lub 240 minut (R 240). Powinna ona być zawsze co najmniej równa odpowiednim wartościom obliczeniowego czasu ekspozycji pożarowej odpowiadającej wymaganemu okresowi utrzymania nośności t fi d, req,, który jest określony przez krajowe przepisy przeciwpożarowe. Zestaw takich wymagań jednoznacznie określonych dla wszystkich części ustroju nośnego i jego wypełnienia, charakteryzuje klasę odporności pożarowej przypisaną do całego budynku. Wymagania dotyczące odporności pożarowej budynku zależą głównie od jego rodzaju i przeznaczenia. Określono je w rozporządzeniu [15], w którym ustanowiono 5 klas odporności pożarowej (OP) - oznaczonych (w kolejności od najniższej do najwyższej) literami A, B, C, D i E (tab. 1). Każdej klasie przyporządkowano określone wymagania odniesione do odporności ogniowej (OO) poszczególnych elementów budowli: głównej konstrukcji nośnej, konstrukcji dachu, stropu, ścian zewnętrznych i wewnętrznych oraz pokrycia dachu. Podano je w tabl. 1 (symbol - oznacza brak wymagań). W rozporządzeniu [15] przedstawiono szczegółowe zasady przypisujące klasy do poszczególnych rodzajów budynków (mieszkalnych użyteczności publicznej, produkcyjne, magazynowe itp.) oraz ich wielkości (np. liczby kondygnacji).

9 9 Klasa odporności pożarowej budynku (OP) Tabl. 1. Wymagania odpowiadające poszczególnym klasom odporności pożarowej budynków według [15] główna konstrukcja nośna Klasa odporności ogniowej (OO) elementów budynku konstrukcja ściana ściana dachu strop zewnętrzna wewnętrzna pokrycie dachu A R 240 R 30 REI 120 EI 120 EI 60 E 30 B R120 R 30 REI 60 EI 60 EI 30 E 30 C R 60 R 15 REI 60 EI 60 EI 15 E15 D R 30 - REI 30 EI E Zgodnie z [15] wyróżniono trzy rodzaje budynków: mieszkania, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej, charakteryzowane kategorią zagrożenia ZLi, produkcyjne i magazynowe PM, inwentarskie IN. Poszczególnym kategoriom ZLi opowiadają budynki: - ZL I zawierające pomieszczenia przeznaczone do jednoczesnego przebywania ponad 50 osób niebędących ich stałymi użytkownikami, a nie przeznaczonych przede wszystkim do użytku ludzi o ograniczonej zdolności poruszania się, - ZL II przeznaczone przede wszystkim do użytku ludzi o ograniczonej zdolności poruszania się, takie jak szpitale, przedszkola, żłobki, domy dla osób starszych, - ZL III użyteczności publicznej nie zakwalifikowane do ZL I i ZL II, - ZL IV mieszkalne, - ZL V zamieszkania zbiorowego, niezakwalifikowane do ZL I i ZL II. Wymagania klasy odporności pożarowej OP odnoszące się do budynków charakteryzowanych przez kategorie ZLi zależą od ich wysokości i przedstawiono je w tabl. 2. Tab. 2. Wymagania klasy odporności pożarowej (OP) budynków charakteryzowanych przez kategorie ZL, według [15] Kategoria Budynki mieszkalne, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej zagrożenia niskie o liczbie kondygnacji średniowysokie wysokie wysokośludzi ciowe ZL I B B B B B B A ZL II B B B B B B A ZL III C C C C B B A ZL IV D D D D C B B ZL V C C C C B B A

10 10 Wymagania klasy odporności pożarowej OP budynków produkcyjnych oraz magazynowych przedstawiono w tabl. 3. Należy zwrócić uwagę, że w tym przypadku przyporządkowanie klasy odporności ogniowe OP zależy od maksymalnej gęstości obciążenia strefy pożarowej, czyli rodzaju, ilości i rozmieszczenia potencjalnego paliwa. Ustalenia odnoszące się do budynków inwentarskich IN mają odmienny charakter. Tab. 3. Wymagania klasy odporności pożarowej (OP) budynków produkcyjnych i magazynowych, według [15] Obciążenie Budynki produkcyjne i magazynowe ogniowe, MJ/m 2 jednokondygnacyjne niskie średniowysokie wysokie wysokościowe do 500 E D C B B D D C B B C C C B B B B B * * pow A A A * * * nie mogą występować takie budynki 1.3. Podstawy projektowania konstrukcji Bezpieczeństwo pożarowe stanowi jedną z kluczowych kwestii w projektowaniu współczesnych konstrukcji budowlanych. Pojęcie to określa środki zapobiegawcze, mające na celu zminimalizowanie prawdopodobieństwa i wpływu pożaru, który może powodować obrażenia i być przyczyną śmierci lub/i strat materialnych. Projektowanie ze względu na bezpieczeństwo pożarowe ma ogólnie na celu ochronę życia ludzi, włączając w to osoby przebywające w budynku i strażaków, oraz zminimalizowanie zakłóceń w działalności przedsiębiorstw, uszkodzeń budynku i mienia znajdującego się wewnątrz oraz jego otoczenia. Dlatego zgodnie z PN-EN 1990 [7] w ocenie stanu granicznego nośności, analizując kryteria związane z katastrofą lub zniszczeniem, należy zapewnić konstrukcji wytrzymałość nie tylko na oddziaływania od ciężaru własnego, obciążeń klimatycznych, technologicznych itp., ale także pożaru. Według PN-EN 1990 [7] obliczenia termiczno-statyczno-wytrzymałościowe odporności ogniowej konstrukcji należy przeprowadzać na podstawie scenariuszy pożarowych, uwzględniając modele zmian temperatury wewnątrz strefy pożarowej. Należy sprawdzić zachowanie się konstrukcji, jej podzespołów lub elementów w warunkach pożaru, przyjmując nierównomierny lub równomierny rozkład temperatury w przekrojach lub na

11 11 ich długości. Można analizować wytężenie elementów wydzielonych z konstrukcji lub też badać ich współdziałanie w warunkach oddziaływania pożaru. Oddziaływanie temperatury w czasie pożaru na konstrukcje jest traktowane w PN- EN 1990 [7] jako wyjątkowa sytuacja projektowa. Oznacza to, że w ustaleniu wyjątkowej kombinacji oddziaływań w trakcie pożaru rozpatruje się te oddziaływania, które są uwzględniane w kombinacjach podstawowych i to tylko takie, które są możliwe do zaistnienia w trakcie pożaru. Nie uwzględnia się łącznego występowania w wyjątkowej kombinacji pożarowej innego oddziaływania o charakterze wyjątkowym, oprócz oddziaływań związanych z zaistnieniem pożaru. W stanie granicznym nośności, obliczeniowe efekty oddziaływań E d w konstrukcji w trakcie pożaru wyznacza się ze wzoru gdzie: G k, j E d G " " P " " A " " ( lub ) Q " k, j k d 1 2 k,1 " j1 i1 charakterystyczne oddziaływanie stałe j, Q 0, i k, i, (1) P k A d charakterystyczne oddziaływanie sprężające, charakterystyczne oddziaływanie wyjątkowe ( pożarowe ), Q k, i charakterystyczne oddziaływanie zmienne i, 1,1, 1,2 współczynnik do określenia wartości kombinacji obciążeń zmiennych odpowiednio częstych (1) i prawie stałych (2), "" oznacza należy uwzględnić w kombinacji z, oznacza łączny efekt oddziaływań. Parametry współczynników i oddziaływań charakterystycznych we wzorze (1) podano w PN-EN 1990 [7] oraz PN-EN 1991 [8] Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru według PN-EN W PN-EN [8] podano ogólne zasady ustalania oddziaływań w warunkach pożaru. Projektowanie konstrukcji na warunki pożarowe obejmuje następujące etapy: wybór właściwych scenariuszy pożarowych, ustalenie odpowiadających im pożarów obliczeniowych, obliczenia przebiegu temperatury w elementach konstrukcyjnych, obliczenia mechanicznego zachowania się konstrukcji poddanej oddziaływaniu termicznemu podczas pożaru.

12 12 Scenariusz pożarowy powinien uwzględniać zachowanie się całej konstrukcji, jej podzespołu lub elementu w warunkach pożaru, a także uwzględniać model zmiany temperatury wewnątrz obiektu. Dlatego w jego identyfikacji należy brać pod uwagę czynniki wpływające na przebieg pożaru, jak na przykład rodzaj materiałów wypełniających, izolujących czy też wyposażenia obiektu. Zgodnie z PN-EN [8] w praktycznych obliczeniach należy analizować modele, odnoszące się do jednej strefy pożarowej (jednego pomieszczenia wydzielonego ogniowo). Na rys. 4 przedstawiono przykład scenariuszy pożarowych magazynowanego budynku parterowego. W tej pięcionawowej hali zastosowano 2 ściany przeciwpożarowe, wydzielając w ten sposób 3 strefy pożarowe (rys. 4a). W analizowanym przypadku należy rozpatrzeć 3 scenariusze wystąpienia pożaru: w strefie 1 (rys. 4b), w strefie 2 (rys. 4c) oraz w strefie 3 (rys. 4d). Rys. 4. Scenariusze pożarowe hali pięcionawowej z 3 strefami pożarowymi [17] Stosowane w analizie modele pożarów obliczeniowych zależą od przyjętych scenariuszy pożarowych (od możliwości rozgorzenia pożaru). Stosuje się modele:

13 13 pożaru lokalnego, gdy rozgorzenie jest mało prawdopodobne, w których przyjmuje się nierównomierny rozkład temperatury w funkcji czasu (metodę obliczania oddziaływań termicznych pożaru lokalnego podano w Załączniku C), pożaru strefowego, w którym przyjmowany jest równomierny rozkład temperatury w funkcji czasu (metodę obliczania temperatury gazu podano w Załączniku A i B - odpowiednio dla elementów wewnętrznych i zewnętrznych strefy pożarowej, zaawansowane modele pożaru, w których uwzględniane są fizyczne właściwości gazu, a także wymiana masy i energii podczas procesu spalania (metody obliczania oddziaływań termicznych w jednostrefowych scenariuszach pożaru, pożarze dwustrefowym i w modelach numerycznych, uwzględniających przebieg zjawisk w czasoprzestrzeni, opisano w Załączniku D, metodę zaś określenia wartości obliczeniowej gęstości obciążenia ogniowego i szybkości wydzielania ciepła podano w Załączniku E). Załącznik F dotyczy określania równoważnego czasu oddziaływania pożaru. Załącznik G omawia zasady przyjmowania współczynników konfiguracji. W analizie konstrukcji oddziaływanie termiczne określa strumień ciepła netto na powierzchnie elementu, będący sumą strumieni konwekcyjnego i radiacyjnego. Temperaturę gazu przy spalaniu przyjmuje się na podstawie: nominalnych krzywych temperatura - czas lub parametrycznych krzywych temperatura - czas. W przypadku krzywych nominalnych rozróżnia się krzywą standardową temperatura - czas (przyjęto, że temperatura jest funkcją niemalejącą czasu jak dla pożaru rozwiniętego), krzywą pożaru zewnętrznego oraz krzywą węglowodorową (rys. 5). Rys. 5. Krzywe pożaru rzeczywistego, standardowego, węglowodorowego i zewnętrznego

14 g 14 Nominalne krzywe zależności temperatura gazów spalinowych temperatura - czas t fi, zdefiniowano w następujący sposób: pożar standardowy (pożar standardowy według ISO ) (8t 1) g log 10 e, (2) pożar zewnętrzny (pożar mniej gwałtowny od w/w, związany z wydostawaniem się ognia na zewnątrz budynku i oddziałujący na elewacje budynków) g 660(1 0,687e 0,32t 0,313e 3,8t ) 20, (3) pożar węglowodorowy paliw (w zbiornikach paliw, wieżach wiertniczych paliw itp.; pożar przebiegający z reguły zwiększa intensywnością) g 1080(1 0,325e 0,167t 0,675e 2,5t ) 20, (4) gdzie: g temperatura gazów w strefie pożarowej [ o C], t czas [min]. Z analizy rys. 5 oraz (2)(4) wynika, że temperatura gazów spalinowych g jest jedynie funkcją czasu i rośnie monotonicznie (nie ma fazy stygnięcia) Metody projektowania konstrukcji na warunki pożarowe według Eurokodów Inżynieria pożarowa konstrukcji i elementów konstrukcyjnych jest dyscypliną, która dotyczy analizy ich zachowania się w warunkach pożaru. Zgodnie z postanowieniami Eurokodów budynki na warunki pożarowe można projektować za pomocą metody tradycyjnej lub metody opartej na właściwościach (wówczas zastosowanie mają zasady inżynierii pożarowej elementów konstrukcyjnych). Procedura projektowania sposobem tradycyjnym jest oparta na analizie oddziaływań termicznych wywołanych pożarem standardowym [8], opisanym gęstością strumienia ciepła działającego na elementy konstrukcji. W procedurze obliczeniowej opartej na właściwościach uwzględnia się cechy użytkowe pomieszczeń i analizuje się oddziaływania termiczne konstrukcji na podstawie przesłanek o podłożu fizycznym. W projektowaniu można analizować zachowanie się w pożarze: elementu, podzespołu konstrukcji lub całego ustroju nośnego budynku - posługując się danymi tabelarycznymi lub prostymi, albo zaawansowanymi modelami obliczeniowymi. W przypadku izolowanych elementów lub części konstrukcji wykorzystuje się głównie dane tabelaryczne i proste

15 15 modele obliczeniowe. Natomiast zaawansowane modele obliczeniowe są stosowane w analizach oceny bezpieczeństwa pożarowego całych konstrukcji. Najczęściej metodę tradycyjną oceny bezpieczeństwa pożarowego wykorzystuje się w celu spełnienia standardowych wymagań dotyczących ognioodporności, określonych w przepisach przeciwpożarowych. Stosuje się ją zwykle w projektowaniu stosunkowo prostych budynków i potrzebny poziom bezpieczeństwa jest relatywnie łatwy do osiągnięcia i wdrożenia. Zadaniem projektanta jest taki dobór środków ochrony przeciwpożarowej, w szczególności paramentów izolacji termicznej chroniącej konstrukcję przed działaniem ognia, by uzyskać zadawalającą (wyższą od wymaganej) wartość jej ognioodporności. Metoda tradycyjna ogranicza się więc do prostego wyboru środków ognioizolujących (posiłkując się jedynie dostępnymi ofertami materiałów w tym zakresie). Wówczas nie przeprowadza się żadnej dodatkowej analizy obliczeniowej oceniającej zachowanie się elementu w pożarze. W tym przypadku producent wyrobu ogniochronnego niejako gwarantuje, że zastosowanie danego typu izolacji (o odpowiednich parametrach np. grubości) umożliwia uzyskanie żądanej ognioodporności. Rezultat takiego projektowania nie zawsze jednak można uznać za wiarygodny, gdyż nie uwzględnia się np. swobody odkształceń termicznych - stopnia skrępowania elementu konstrukcyjnego. Ponadto w wielu przypadkach taki sposób projektowania może być zbyt zachowawczy, ponieważ w celu zapewnienia wymaganej ognioodporności budowli wymaga on zastosowania istotnej (w wielu przypadkach kosztochłonnej) biernej ochrony przeciwpożarowej. Dlatego zbliżoną do obiektywnej ocenę ognioodporności budowli można uzyskać na podstawie jej odrębnej analizy termiczno-statyczno-wytrzymałościowej (wg metody opartej na właściwościach). W ostatnich latach, dla poszczególnych typów konstrukcji (betonowych, stalowych, zespolonych stalowo-betonowych, murowych, drewnianych i aluminiowych) opracowano ujednolicone zasady projektowania na wypadek wystąpienia pożaru. Są to wydzielone części odpowiednich Eurokodów: oddziaływań [8] oraz konstrukcyjnych [9] [14], w których podano zasady prowadzenia analizy termiczno-statyczno-wytrzymałościowej budowli (według metody opartej na właściwościach). Umożliwia ona ocenę wymaganej ognioodporności konstrukcji, w celu uniknięcia rozprzestrzeniania się pożaru i/lub w celu zapobiegania przedwczesnemu zniszczeniu konstrukcji. W przypadku budynków ich główną konstrukcję można zaprojektować tak, aby zachowała stateczność w warunkach pożaru na tyle długo, by osoby przebywające w budynku mogły się ewakuować. Ta metoda uwzględnia intensywność oddziaływania pożaru przez odpowiednie osza-

16 16 cowanie rzeczywistych obciążeń ogniowych i parametrów rozwoju pożaru, które można obliczyć w oparciu o funkcję i sposób użytkowania budynku [8]. Umożliwia ona elastyczność w wyborze rozwiązań technicznych w celu spełnienia wymagań ognioodporności budowli, ale zazwyczaj wymaga użycia zaawansowanych narzędzi projektowych. Ponadto projektanci stosujący te zaawansowane modele obliczeniowe muszą być odpowiednio wyszkoleni w zakresie ich zastosowania i ograniczeń. Inżynieria bezpieczeństwa pożarowego umożliwia wysoce efektywne projektowanie z niewielką rezerwą nośności. Dlatego w tym przypadku wymagane są wysokie kwalifikacje projektanta (gwarantujące, że w opracowaniu projektu zastosowano w analizie odpowiednie modele).ponadto w niektórych krajach Unii Europejskiej przepisy przeciwpożarowe żądają, aby projekt z uwagi na warunki pożarowe był weryfikowany przez osobę trzecią. Właściwości pożarowe konstrukcji lub jej elementu są określane przez wykonanie w przypadku badanego obliczeniowego scenariusza pożaru, 3 kolejnych kroków analityczno-obliczeniowych konstrukcji: analiza pożaru (ustalenie oddziaływań termicznych - model pożaru), analiza termiczna (określenie szybkości ogrzewania i temperatur elementów konstrukcyjnych - model termiczny), analiza konstrukcyjna (obliczania odpowiedzi mechanicznej elementów konstrukcyjnych - model konstrukcyjny). Stosowane metody projektowe do oceny właściwości pożarowych konstrukcji obejmują zakres: od prostych obliczeń wykonywanych ręcznie, do korzystania z zaawansowanych programów komputerowych. Złożoność takiego projektu zależy od założeń i metod przyjętych do przewidywania każdego z w/w 3 etapów projektowania. Na podstawie uzyskanych pól temperatury w elementach nośnych i kombinacji oddziaływań w warunkach pożaru można ocenić zachowanie konstrukcji (rys. 6) za pomocą jednej z 3 możliwych metod: analiza elementu - model 1D, w której każdy element nośny (np. pręt) jest oceniony jako całkowicie oddzielony od innych części konstrukcji budynku (warunki połączenia z innymi elementami zastępuje się odpowiednimi warunkami brzegowymi), analiza części konstrukcji - model 2D, w której fragment konstrukcji (np. rama) jest uwzględniony w ocenie (przez zastosowanie odpowiednich warunków brzegowych, tak aby odzwierciedlić jej powiązania z innymi częściami konstrukcji), globalna analiza konstrukcji - model 3D, w której ocenia się całą konstrukcję budynku (rys. 7).

17 17 Stosunkowo prosta i łatwa w zastosowaniu jest analiza elementu (model 1D), zwłaszcza z uproszczonymi metodami obliczeniowymi. Analiza całej konstrukcji (model 3D) lub jej podzespołów (model 2D) uwzględnia łącznie co najmniej kilka elementów konstrukcyjnych, tak aby bezpośrednio uwzględnić wpływ interakcji między nimi. W takich analizach można dokładnie uwzględnić przeniesienie obciążenia z podgrzanych (osłabionych) części wewnątrz strefy pożarowej, na bardziej wytrzymałe części chłodne poza strefą pożarową. Z tego względu analiza globalna umożliwia znacznie lepsze zrozumienie ogólnego zachowania konstrukcji w warunkach pożaru. Przykład trójwymiarowej, analizy globalnej hali o konstrukcji stalowej pokazano na rys. 7. Rys. 6. Metody projektowe do określania odpowiedzi mechanicznej konstrukcji w warunkach pożaru [17] Rys. 7. Przykład trójwymiarowej analizy globalnej (model 3D) hali stalowej [17]

18 18 W podsumowaniu należy stwierdzić, że zgodnie z Eurokodami projekt uwzględniający warunki pożarowe budynku można wykonać za pomocą: Prostej metody opartej na podstawie danych tabelarycznych np. zamieszczonych w PN-EN [11], którą stosuje się jedynie w przypadku zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych. Tabele w [11] podano dla płyt, belek i słupów, przy założeniu pewnego czasu ognioodporności, ogrzewania według krzywej pożaru nominalnego oraz określonego poziomu obciążenia. Wyznaczono je za pomocą modeli numerycznych i badań doświadczalnych. Te tabele są proste i bezpieczne w zastosowaniu. Obejmują jednak one tylko ograniczony zakres rodzajów konstrukcji i kształtowników. Prostych metod obliczeniowych, które można podzielić na dwie grupy. Pierwsza to metoda temperatury krytycznej. Jest ona powszechnie stosowana w analizie stalowych elementów konstrukcyjnych. W drugiej stosuje się proste modele mechaniczne i przeprowadza się weryfikację nośności konstrukcji. Te metody opracowano w celu analizy bezpieczeństwa pożarowego typowych elementów konstrukcyjnych (np. płyt, belek i słupów) zarówno stalowych, jak i zespolonych. Zaawansowane modele obliczeniowe, które mają zastosowanie w przypadku wszystkich rodzajów konstrukcji i umożliwiają ich realistyczną analizę termiczno-statycznowytrzymałościową. Wyniki tej analizy są zazwyczaj uzyskiwane w postaci odkształceń konstrukcji podczas całego okresu pożaru. Zaawansowane modele obliczeniowe przeprowadza się MES i korzysta z programów komputerowych. 2. Zabezpieczenia ognioochronne konstrukcji stalowych 2.1. Właściwości mechaniczne stali węglowych w podwyższonej temperaturze W ocenie odporności ogniowej konstrukcji bada się jej stan graniczny nośności ogniowej R, który polega na zniszczeniu materiału lub przekroczeniu dopuszczalnych wartości odkształceń [7]. Najważniejszym elementem tej analizy jest więc określenie punktu granicznego, którego nie mogą przekroczyć elementy konstrukcji, gdyż ich następstwem są nieodwracalne dla budowli konsekwencje dotyczące bezpieczeństwa. Stal jest materiałem konstrukcyjnym, którego właściwości ulegają bardzo dużym zmianom w warunkach oddziaływania pożaru. Niezabezpieczone ognioochronnie kształtowniki stalowe już po minutach nagrzewania w warunkach pożaru standardowego [8] osiągają temperaturę około 700 o C. W tej temperaturze następuje spadek wytrzymałości stali do poziomu około 23% jej wytrzymałości w temperaturze nor-

19 19 malnej (a także następuje zmniejszenie modułu sprężystości podłużnej o 83% w stosunku do tego parametru w temperaturze normalnej) co w konsekwencji prowadzi do wyczerpania nośności elementów konstrukcyjnych. Zmianę właściwości mechanicznych stali w podwyższonych temperaturach pokazano na rys. 8. Rys. 8. Zmiana właściwości mechanicznych stali w podwyższonych temperaturach Analizują rys. 8 należy zwrócić uwagę, że granica plastyczności stali w temperaturze 400 o C zmniejsza się o około 33%. Wówczas nośność elementu stalowego pod obciążeniem normowym zostaje całkowicie wyczerpana. Natomiast w tej temperaturze współczynnik sprężystości podłużnej zmniejsza się o około 20%, powodując spadek sztywności EI elementów zginanych i ściskanych, co prowadzi do wzrostu ich ugięć lub spadku nośności krytycznej niestateczności ogólnej i miejscowej. W zależności od ilości i rodzaju palących się materiałów w pomieszczeniu oraz intensywności odpływu spalin i właściwości termoizolacyjnych przegród, temperatura spalin podczas pożaru w obiekcie może wynosić od 800 do 1600 o C. Czas nagrzewania się nieosłoniętych elementów stalowych do temperatury krytycznej (, cr a 500 w której tracą one prawie całkowicie swoją nośność (gdy obciążenie konstrukcji jest równe normatywnemu) wynosi od kilku do kilkunastu minut. Poprawę bezpieczeństwa pożarowego obiektów o stalowej konstrukcji nośnej otrzymuje się przez działania prewencyjne, jak i zastosowanie środków ochrony czynnej (urządzeń monitorujących i alarmowych oraz instalacji gaśniczych), a przede wszystkim środków ochrony biernej (odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych) które ograniczają skutki oddziaływania termicznego występującego w trakcie pożaru lub/i ograniczającego jego rozpowszechnianie oraz zasięg. 800 o C ),

20 Zachowanie się elementów stalowych bez izolacji termicznej w warunkach pożaru Szybkość nagrzewania się elementu stalowego zależy głównie od jego stosunku pola powierzchni nieosłoniętej A m [m 2 ] do objętości V [m 3 ] na jednostkę długości (rys. -1 9). Wielkość A m / V [m ] nazywa się wskaźnikiem ekspozycji przekroju (lub wskaźnikiem masywności przekroju) i jest parametrem miary szybkości nagrzewania się stalowego elementu nieosłoniętego. Rys. 9. Przykłady wskaźnika ekspozycji nieosłoniętych elementów stalowych Rys. 10. Temperatury nieosłoniętych elementów stalowych po 15 i 30 minutach oddziaływania pożaru standardowego, w funkcji ich wskaźników ekspozycji ksh ( Am / V ) [m ] [17] -1

21 21 Na rys. 10 pokazano wykresy temperatury nieosłoniętych elementów stalowych po 15 i 30 minutach oddziaływania pożaru standardowego ISO [4] w funkcji wskaźnika ekspozycji ksh ( Am / V) [17]. Z analizy tych wykresów wynika, że większy wskaźnik ekspozycji przekroju prowadzi do szybszego nagrzewania się elementu stalowego. Na przykład po 15 minutach poddawania oddziaływaniu pożaru, temperatura nieosłoniętego elementu stalowego o wskaźniku ekspozycji -1 A m / V 200 m wzrasta do około 680 o C, podczas, gdy temperatura elementu nieosłoniętego o wskaźniku ekspozycji -1 A m / V 100 m osiąga tylko 565 o C. Ta różnica wynika z faktu, że wysoka wartość wskaźnika ekspozycji przekroju oznacza dużą powierzchnię nieosłoniętą w odniesieniu do jej objętości i ten element otrzymuje więcej ciepła niż element o niskim wskaźniku i małej powierzchni nieosłoniętej. Nagrzewanie niezabezpieczonych elementów stalowych można wyznaczyć za pomocą prostej metody analitycznej podanej w PN-EN [10], w której wzrost temperatury zależy od oddziaływań termicznych (wyrażonych w postaci strumieni ciepła netto), właściwości termicznych stali oraz wskaźnika ekspozycji A m /V temperatury w nieosłoniętych elementach stalowych przedstawiono m.in. w [5].. Ocenę wzrostu 2.3. Zachowanie się elementów stalowych izolowanych termicznie w warunkach pożaru W odróżnieniu od żelbetowych i drewnianych, konstrukcje stalowe stosunkowo szybko osiągają w warunkach pożaru wysokie wartości temperatury w całym przekroju. Na przykład temperatura nieizolowanego dwuteownika IPE 300, osiąga po 15 minutach około 670 o C. Można jednoznacznie stwierdzić, że poza nielicznymi wyjątkami elementy konstrukcji stalowych mają bardzo małą nośność ogniową R. Dlatego w projektowaniu każdej konstrukcji stalowej, dla której jest wymagana choćby najmniejsza nośność ogniowa R, należy zastosować środki, które spowodują ograniczenie ryzyka wystąpienia zagrożenia, tzn. użyć odpowiednie zabezpieczenia przeciwpożarowe, które zagwarantują właściwą wytrzymałość obiektu w warunkach pożaru. W przeważającej większości przypadków zachodzi konieczność wydłużenia czasu dochodzenia konstrukcji do temperatury krytycznej, czyli zwiększenia odporności ogniowej przez stosowanie osłon ognioizolacyjnych (biernej ochrony przeciwpożarowej). W przypadku elementu osłoniętego wskaźnik masywności przekroju przyjmuje się jako

22 22 parametr A p / V [m -1 ]. Jest to iloraz powierzchni A p [m 2 ] mierzonej po wewnętrznym obwodzie izolacji ogniochronnej na jednostkę długości do objętości elementu stalowego V [m 3 ] na jednostkę długości. Na rys. 11 podano zależności służące do obliczania wskaźników masywności przekrojów elementów stalowych zabezpieczonych ogniowo. Rys. 11. Przykłady wskaźników ekspozycji osłoniętych elementów stalowych Materiały ognioizolacyjne mogą mieć formę układów konturowych (o obrysie kształtownika stalowego rys. 11a, c), skrzynkowych (obudowujących kształtownik stalowy w postaci skrzynki rys. 11b, d) lub powierzchniowych (ściany lub sufity izolujące grupowo kształtowniki stalowe). Realizuje się je w postaci powłok natryskowych z: włókien mineralnych, wermikulitu i cementu, perlitu, wermikulitu (lub perlitu) i cementu, wermikulitu (lub perlitu) i gipsu, wermikulitu (lub perlitu) i cementu, oraz płyt z: włókna krzemianowego, włókna krzemianu wapnia, cementu włóknistego, gipsu, prasowanych włókien krzemianowych i wełny mineralnej. Charakterystykę termiczną materiałów ogniochronnych na ogół wyznacza się na podstawie badań ogniowych prowadzanych w warunkach pożaru standardowego [4]. Te wartości średnie pochodzą z badań ogniowych przeprowadzanych przez producentów tych materiałów. Zgodnie z Eurokodami do oceny ognioodporności konstrukcji stalowych można stosować metodę temperatury krytycznej. Oblicza się ją wg PN-EN1993 [10] uwzględniając wytężenie elementu stalowego od przyłożonych oddziaływań w warunkach temperatury normalnej i utraty wytrzymałości stali w podwyższonej temperaturze. Temperatura krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnego a, cr, (przy danym poziomie jego obciążenia i poddanemu równomiernemu rozkładowi oddziaływania temperatury), jest to temperatura przy której przyjmuje się, że ulega on zniszczeniu. Ognioodporność ele-

23 23 mentu stalowego (w którym nie występuje lokalna utrata stateczności ścianki przekroju) jest zapewniona po czasie t, jeżeli temperatura stali a,t nie przekracza jej temperatury krytycznej a, cr. Temperatura krytyczna elementów stalowych o przekrojach klasy 1, 2 oraz 3 na ogół wynosi, cr a o C. W odniesieniu do kształtowników stalowych o przekrojach klasy 4 należy stosować zachowawczą temperaturę krytyczną, 350 o a cr C. Ocenę ognioodporności stalowych elementów konstrukcyjnych metodą temperatury krytycznej przedstawiono w pkt W PN-EN [10] podano też prostą metodę obliczeniową oceny nagrzewania się stalowych elementów izolowanych za pomocą materiałów biernej ochrony przeciwpożarowej. W takich przypadkach wzrost temperatury zależy od wskaźnika masywności przekroju stalowego elementu izolowanego A p /V i charakterystyk właściwości materiału izolacyjnych. W sytuacjach projektowych, znajomość temperatury krytycznej a,cr, wskaźnika masywności przekroju A p /V oraz wymaganego czasu ognioodporności umożliwia określenie grubości warstwy ognioochronnej (powłoki nakładanej natryskowo, płyty ochronnej, powłoki przeciwogniowej). Należy stosować wyłącznie wyroby ogniochronne zbadane i ocenione w ramach standardowych badań ogniowych, przeprowadzonych wg zaleceń normy europejskiej EN Przykład wykresu dotyczącego zabezpieczenia przeciwogniowego płytami pokazano na rys. 12 [7]. Rys. 12. Przykładowy wykres dotyczący zabezpieczenia przeciwogniowego płytami [17]

24 24 Wymaganą grubość warstwy ochronnej elementu stalowego można zwykle określić na podstawie danych publikowanych przez producentów tych wyrobów (w formie tabel lub wykresów). Najczęściej dane te odnoszą grubość warstwy materiału ogniochronnego do wskaźnika masywności przekroju elementu stalowego A p / V, temperatury krytycznej a,cr i wymaganego czasu ognioodporności Sposoby zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowych W celu umożliwienia ewakuacji ludzi z budynku objętego pożarem, ograniczenia skutków działania ognia w stosunku do wyposażenia obiektu i ograniczenia zakresu zniszczenia konstrukcji, stosuje się izolacje ognioochronne elementów konstrukcyjnych lub ich chłodzenie (automatycznymi spryskiwaczami) w połączeniu z instalacją wykrywaczy pożaru (montażem czujników i alarmów umożliwiających wykrycie ognia lub dymu i stłumienie pożaru w jego najwcześniejszej fazie zapłonu), ekranów i klap dymowych. Chłodzenie polega na ograniczeniu efektu działania wysokiej temperatury pożaru za pomocą spryskiwania wodą stalowej konstrukcji nośnej. To rozwiązanie wymaga odpowiednich rurowych instalacji wodnych oraz pomp. Stąd jest rzadko stosowane. W celu spowolnienia tempa nagrzewania się konstrukcji stalowej, a co za tym idzie zapewnienia wymaganej ognioodporności, stosuje się bierną ochronę przeciwpożarową. Można w tym celu wykorzystać kilka dostępnych systemów. Izolowanie ognioochronne elementów stalowej konstrukcji nośnej polega na: oddzieleniu jej od stref narażonych na pożar, lub /i zabezpieczeniu pojedynczych elementów. Do pierwszej grupy należy zaliczyć zabezpieczenia powierzchniowe (grupowe) poziome (np. sufity podwieszone) lub pionowe (np. ściany oddzielające rys. 13, 17), a także sytuowanie elementów nośnych poza obrysem budynku (rys. 14). Przykład budynku z zewnętrzną stalową konstrukcją nośną niezabezpieczoną przeciwogniowo pokazano na rys. 14. W niektórych przypadkach główne elementy konstrukcji nośnej budynku (słupy, belki, stężenia) można umieścić poza zewnętrzną przegrodą budynku. Pozwala to uniknąć potrzeby zapewnienia jej ochrony przeciwpożarowej, gdyż wymagania ognioochronności zewnętrznej stalowej konstrukcji nośnej są znacząco mniejsze niż w przypadku wewnętrznego ustroju nośnego. Jest ona narażona wyłącznie na działanie płomieni wydostających się z otworów oraz płonących ele-

25 25 mentów budynku, i jej temperatura jest niższa w porównaniu z temperaturą konstrukcji wewnątrz strefy pożarowej. Do dodatkowego obniżenia temperatury konstrukcji przyczynia się też jej kontakt z powietrzem otoczenia. Rys. 13. Przykład usytuowania ścian przeciwpożarowych w stosunku do stalowych ram w parterowym budynku halowym [17] Rys. 14. Przykład budynku z zewnętrzną stalową konstrukcją nośną niezabezpieczoną przeciwogniowo [17]

26 26 W drugiej grupie środków ogniochronnych stalowe konstrukcje nośne można wyróżnić izolacje pasywne termicznie (masy natryskowe i okładziny płytowe, a także zabezpieczenia hybrydowe polegające na połączeniu okładzin płytowych i mas natryskowych) oraz izolacje aktywne termicznie (powłoki pęczniejące i powłoki absorpcyjne). Ich sposób działania jest bardzo różny np. charakteryzuje je mały współczynnik przenikania ciepła; mają dużą wilgotność; zmieniają swe rozmiary pod wpływem wzrostu temperatury, co wpływa korzystnie na zmianę wskaźnika masywności przekroju (np. pęcznienie powłoki); cechuje je duża pojemność cieplna. Różne są rodzaje i efektywności działania powłok (otulin) ognioochronnych, sposoby ich zamocowania na elemencie oraz skuteczności, ale za każdym razem ich zadaniem jest minimalizacja przyrostu temperatury chronionego elementu. Bardzo ważnymi parametrami powłok ochronnych jest ich współczynnik przejmowania ciepła, ciepło właściwe i przewodność cieplną. To dzięki nim stal nabiera cech odporności ogniowej i może być bezpiecznie stosowana jako materiał konstrukcyjny w budownictwie Systemy zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji stalowych Do biernej ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowych stosuje się materiały termicznie pasywne i reaktywne. Materiały zabezpieczające pasywne termicznie (niereaktywne) poddane działaniu ognia nie zmieniają swoich właściwości. Do najpopularniejszych materiałów niereaktywnych należą powłoki natryskowe i płyty. Natomiast materiały zabezpieczające reaktywne termicznie charakteryzuje zmiana właściwości w wyniku poddania działaniu wysokiej temperatury w trakcie pożaru. Najbardziej znanym przykładem tego typu zabezpieczeń są przeciwogniowe powłoki pęczniejące Środki pasywne termicznie Nakładane natryskowo powłoki przeciwpożarowe (są jedną z najpowszechniejszych technologii zabezpieczenia) stosuje się jako wyroby o warstwie grubej lub warstwie cienkiej. W przypadku powłok grubowarstwowych rozpylany wyrób ma konsystencję włóknistą bądź gęstej pasty i jest natryskiwany bezpośrednio na stalową konstrukcję (rys. 15). W ich skład wchodzą najczęściej włókna mineralne, wermikulit, żużel lub gips oraz substancja wiążąca (spoiwo). W zależności od jej rodzaju wyróżnia się powłoki natryskowe na bazie spoiwa:

27 27 cementowego z wypełniaczami w postaci granulowanej wełny skalnej, kruszywa oraz dodatków, cementowego z wypełniaczem w postaci kruszywa wermikulitowego oraz dodatków, cementowego i gipsowego z wypełniaczem w postaci włókien mineralnych (bez azbestu i wermikulitu) oraz dodatków, spoiwa gipsowego z wypełniaczami w postaci granulowanej wełny skalnej lub wełny mineralnej i kruszywa perlitowego oraz dodatków. Rys. 15. Natryskowe nakładanie niereaktywnej powłoki ognioochronnej na konstrukcję stalową [17] Masa ogniochronna musi charakteryzować się możliwie niską przewodnością cieplną i stabilnością w wysokiej temperaturze. Nakłada się ją na konstrukcję stalową w stanie płynnym, za pomocą specjalnych urządzeń (agregatu natryskowego z transportem pneumatycznym mieszanki). Czasem konieczne jest nałożenie kilku warstw, co wydłuża czas schnięcia. Ognioochronne masy natryskowe po stwardnieniu i wyschnięciu powinny mieć gęstość powyżej kg/m, jednak niezbyt wysoką (do kg/m ). Przed nałożeniem masy ognioochronnej powierzchnie elementów stalowych powinny być zabezpieczone powłokami antykorozyjnymi. Izolacje natryskowe stosuje się głownie jako konturowe tj. na całym obwodzie zabezpieczanego kształtownika (rys. 11a, c), lub w przypadku przekrojów prętów wielogałęziowych w postaci zamkniętych skrzynek.

28 28 Masy natryskowe są przygotowywane i nanoszone według technologii: suchej przygotowana fabrycznie sucha mieszanka, jest transportowana pneumatycznie i mieszana z wodą lub ciekłym spoiwem u wylotu końcówki agregatu natryskowego, lub mokrej przygotowana fabrycznie sucha mieszanka jest zarabiana wodą, a jej nanoszenie na elementy stalowe odbywa się mechanicznie za pomocą agregatów pompowo-natryskowych w sposób zbliżony do mechanicznych prac tynkarskich. Izolacje ogniochronne z mas natryskowych stosowane są zwykle o grubości mm. W celu zapewnienia odpowiedniej przyczepności i trwałości tych zabezpieczeń stosuje się odpowiednie podkłady zapewniające przyczepność natrysku do powierzchni stali lub wykonuje się siatkowanie zabezpieczanych kształtowników. Technologia natryskowa wiąże się z zabrudzeniami i zamoczeniem otoczenia, co jest charakterystyczne w przypadku procesów mokrych. Natrysk ogniochronny w zależności od grubości wykonywany jest w jednej lub kilku warstwach, najczęściej są to 2 lub 3 warstwy. Masy natryskowe pozwalają zabezpieczyć ogniochronnie elementy konstrukcji stalowych w klasach R 15 R 240. Ogniochronne zabezpieczenia płytowe polegają na obudowaniu (najczęściej w kształcie skrzynek - rys. 11b, d) elementów konstrukcji stalowej za pomocą płyt (rys. 16). Rys. 16. Przykłady płytowych zabezpieczeń ognioochronnych kształtowników stalowych: 1 - element termoizolacyjny, 2 - łącznik, 3 - kształtownik stalowy Stosowane są płyty z wermikulitu, miki, wełny mineralnej, płyty gipsowo-kartonowe, różnego rodzaju płyty na spoiwie gipsowym, cementowym, cementowo-wapiennym ze

29 29 zbrojeniem rozproszonym najczęściej z włókien szklanych oraz z różnego rodzaju wypełniaczami. W tym przypadku ograniczenie oddziaływania strumienia cieplnego wywołanego przez pożar zapewnia zamknięta obudowa oraz właściwości termoizolacyjne tych płyt. Płyty termoizolacyjne są dostępne w szerokim zakresie grubości i umożliwiają uzyskać ognioodporność w klasach R 30 R 120. Płyty są mocowane do konstrukcji stalowej mechanicznie (za pomocą śrub, łączników, taśm i kształtowników stalowych lub przyklejane i unieruchomiane kołkami). Nie można ich w łatwy sposób przytwierdzić do elementów o złożonych kształtach. Zazwyczaj, są one droższym rozwiązaniem niż masy natryskowe lub powłoki ognioochronne. Ponadto czas montażu płyt jest znacznie dłuższy w porównaniu z czasem nakładania powłok ognioochronnych, co powoduje zwiększenie kosztu inwestycji i wpływa też na wydłużenie czasu realizacji obiektu. Stropy pomieszczeń administracyjno-socjalnych zabezpiecza się najczęściej za pomocą sufitów podwieszanych. Wówczas w celu zabezpieczenia elementów poziomych takich jak belki, podciągi, dźwigary dachowe (pełnościenne lub kratowe) stosuje się oddzielenie tych elementów stalowej konstrukcji nośnej tzw. poziomymi zabezpieczeniami grupowymi. Są to najczęściej ogniochronne sufity podwieszone z płyt prasowanej wełny mineralnej, zbrojonych płyt gipsowo-kartonowych lub płyt na spoiwie gipsowym, cementowym lub cementowo-wapiennym z różnego rodzaju wypełniaczami. Płytowe zabezpieczenia ogniochronne łączone są do elementów konstrukcji stalowej za pomocą klejenia lub połączeń mechanicznych, albo przez połączenie klejenia oraz mocowania mechanicznego. Są one docinane do odpowiednich wymiarów i łączone ze sobą bezpośrednio na budowie, co w przypadku 2 lub 3 warstwowej obudowy przy stosowaniu wielu łączników sprawia, iż prace instalacyjne trwają dłużej niż w przypadku stosowania mas natryskowych. Jednak wygląd obudowanych elementów stalowych jest estetyczny i nie wymaga dodatkowego wykończenia. Gęstość płyt ze skalnej wełny mineralnej wynosi około włóknem szklanym około kg/m, a płyt gipsowo-kartonowych zbrojonych rozproszonym kg/m. Elementy pionowe, takie jak słupy, można zabezpieczać za pomocą m.in. przegród pionowych w postaci ścian murowanych, betonowych lub lekkich ścian warstwowych. Stanowią one pionowe zabezpieczenie grupowe, które stosuje się w celu podziału np. wielonawowej hali na strefy pożarowe (patrz rys. 4, 13). Przykład rozwiązań konstrukcyjnych ścian przeciwpożarowych równoległych do portalowej ramy wielonawowej hali o konstrukcji stalowej pokazano na rys. 17.

30 30 Rys. 17. Przykład rozwiązań konstrukcyjnych ścian przeciwpożarowych równoległych do portalowej ramy wielonawowej hali o konstrukcji stalowej: a) zdwojenie słupów oraz ścian przeciwpożarowych, b) zdwojenie słupów ze ścianą przeciwpożarową połączoną za pomocą topliwych ściągów, c) ściana przeciwpożarowa umieszczona w osi słupów [17] 2.7. Środki aktywne termicznie Do najczęściej stosowanych aktywnych termicznie zabezpieczeń ogniochronnych należą farby pęczniejące. W przeciwieństwie do środków niereaktywnych, przeciwogniowe powłoki aktywne reagują na działanie wysokiej temperatury zmieniając swoje właściwości, z początkowej postaci farby dekoracyjnej, na warstwę termoizolacyjną. Pod wpływem ciepła ich powłoki pęcznieją, tworząc porowatą piankę ograniczającą dopływ ciepła do stali (rys. 18, 19). Ognioochronne farby pęczniejące są stosowane do zabezpieczeń konstrukcji stalowych, w których wymagana jest klasa odporności ogniowej R 15R 60. Pęczniejące przeciwogniowe powłoki ochronne przypominają wyglądem konwencjonalne farby. Składają się one z następujących warstw (rys. 18a): gruntującej (o grubości μm ; podkład antykorozyjny, który przystosowuje podłoże do jak najlepszego jego połączenia z farbą zasadniczą - przygotowuje podłoże), przeciwogniowej (o grubości μm ; zasadnicza powłoka pęczniejąca, o właściwościach ogniochronnych) oraz

31 31 nawierzchniowej (o grubości μm ; zwykle dostępnej w szerokiej gamie kolorów; dzięki niej chroniony element nabiera walorów estetycznych; ponadto jej zadaniem jest ochrona powłoki pęczniejącej przed oddziaływaniem środowiska w temperaturach normalnych). Rys. 18. Zabezpieczenie ognioochronne farbą pęczniejącą (a) oraz widok elementu stalowego zabezpieczonego farbą pęczniejącą podczas pożaru (b) Rys. 19. Właściwości termoizolacyjne oraz zachowanie się farby pęczniejącej pod wpływem wysokiej temperatury [17] Nanoszenie powłok na konstrukcję stalową odbywa się ręcznie (wałkiem lub pędzlem) lub natryskowo. Na powierzchnię oczyszczoną w sposób przewidziany jak do ochrony przed korozją nakłada się pierwszą warstwę gruntującą. Po jej wyschnięciu nakłada się minimum 2 warstwy ochrony przeciwogniowej, o łącznej grubości warstw w stanie zimnym μm. Pod wpływem wysokiej temperatury powiększają one swoją objętość wytwarzając warstwę porowatej pianki ograniczającej dopływ ciepła do stali. Warstwy te zmieniając się w piankę i osiągając grubość 3040 mm (rys. 118b) izolują powierzchnię stali przed oddziaływaniem ognia (rys. 19). Dzięki jej niskiej przewodności cieplnej oraz zmianie objętości (podwyższa się też wskaźnik masywności przekroju elementu chronionego) spęczniała powłoka ognioochronna pozwala na osiągnięcie odporności ogniowej konstrukcji stalowej. Farba nawierzchniowa służy do zapewnienia szczelności powłok ogniochronnych, zapobiegając przenikaniu wilgoci

32 32 podczas eksploatacji obiektu. Zazwyczaj farby pęczniejące nakłada się przed montażem konstrukcji. Jedną z zalet tego typu ochrony przeciwpożarowej jest zachowanie estetycznego wyglądu konstrukcji stalowej Uwagi i wnioski końcowe Przedstawione syntetycznie środki zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji stalowych mają swoją specyfikę i zalecany zakres stosowania. Masy natryskowe oraz okładziny płytowe, czyli pasywne środki ogniochronne są preferowane w przypadku wymagania odporności ogniowej konstrukcji stalowej powyżej 60 minut. Stosowane są one głównie w obiektach przemysłowych, magazynowych i budynkach o konstrukcji szkieletowej. O skuteczności takich ogniochronnych zabezpieczeń w dużym stopniu decyduje jakość ich wykonawstwa. W przypadku mas natryskowych z uwagi na wygląd izolacji, często maskuje się je dodatkowymi ekranami lub sufitami wykończeniowymi. Wykonanie izolacji z elementów płytowych zwykle wiąże się z stosunkowo długim okresem ich realizacji. Ponadto w tym przypadku wymagana jest szczególna staranność przy wykonywaniu połączeń tak, aby zagwarantowana była trwałość zabezpieczenia odporności ogniowej w założonym czasie eksploatacji obiektu. Powłoki pęczniejące są obecnie szeroko stosowane na polskim rynku budowlanym. Ich zaletą jest estetyczny wygląd i mała grubość powłoki izolującej (w porównaniu np. z masami natryskowymi). Należy jednak zwrócić uwagę, iż prawidłowe nałożenie farb na konstrukcję stalową jest trudne i pracochłonne. Wymaga ono przede wszystkim dużej staranności, doświadczenia i odpowiedniego sprzętu. Dlatego prace te powinny być wykonywane wyłącznie przez specjalistyczne i przeszkolone ekipy, pod ciągłym nadzorem osoby odpowiedzialnej za jakość. Kontrola jakości dotyczy wszystkich faz prac zabezpieczających. Dotyczy to szczególnie oczyszczenia stali, przygotowania antykorozyjnego podłoża oraz sprawdzania grubości nakładanych powłok zabezpieczających. W tym przypadku niezbędne jest ścisłe przestrzeganie reżimów termicznowilgotnościowych podczas malowania, a także stosowanie przerw pomiędzy nakładaniem kolejnych warstw zabezpieczających elementy stalowe. Nieprzestrzeganie tych wymagań może spowodować przedwczesne odpadanie powłoki lub/i jej nierównomierne pęcznienie w warunkach pożaru, a w efekcie utratę ich właściwości ogniochronnych.

33 3. Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe Wprowadzenie W projektowaniu konstrukcji stalowych w warunkach pożaru stosuje się PN-EN Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne - Obliczanie konstrukcji w warunkach pożaru [10]. Na rys. 20 przedstawiono ogólne zachowanie stalowego elementu konstrukcyjnego pod wpływem pożaru standardowego oraz występujących oddziaływań. Gdy temperatura gazu g wzrasta, to temperatura elementu stalowego a,t zwiększa się, a jego nośność R fi, d, t maleje. Zgodnie z postanowieniami [9] konstrukcje stalowe należy projektować w sposób, który pozwoli na zapewnienie jej nośności R fi, d, t (lub ograniczonego odkształcenia) przez pewien czas t fi,d,req, w którym jest ona narażona na działanie wysokiej temperatury występującej w trakcie pożaru. Rys. 20. Zachowanie stalowego elementu konstrukcyjnego w sytuacji pożarowej [17] Efekty oddziaływań na element konstrukcji to siły wewnętrzne (moment zginający, siła podłużna, siła poprzeczna itp.) od oddziaływań (obciążeń, wpływów). W konstrukcji

34 34 poddanej różnym oddziaływaniom (np. ciężaru własnego, śniegu, wiatru itp.) element jest wytężony obliczeniowymi wartościami efektu oddziaływań E d. Przy tych samych oddziaływaniach, lecz dodatkowo w sytuacji pożarowej, efekty oddziaływań ulegają zmianie i oznaczono je w [10] jako E fi, d. W analizie prostych modeli obliczeniowych, ocenę odporności ogniowej konstrukcji można sprawdzać ze wzoru gdzie: E fi, d obliczeniowy efekt oddziaływań ( E fi d Rfi, d, t,, (5) M fi, Ed, N fi, Ed, V fi, Ed ) w sytuacji pożarowej R fi, d, t wyznaczony zgodnie z PN-EN [8], obliczeniowa nośność elementu ( M fi, Rd, N fi, Rd, V fi, Rd ) części lub całości konstrukcji po czasie t, wyznaczona zgodnie z PN-EN [10]. Temperatura krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnego a,cr, (przy danym poziomie jego obciążenia i poddanemu równomiernemu rozkładowi oddziaływania temperatury) jest to temperatura, przy której przyjmuje się, że ulega on zniszczeniu. Ognioodporność elementu stalowego (w którym nie występuje lokalna utrata stateczności ścianki przekroju) jest zapewniona po czasie t, jeżeli temperatura stali a,t nie przekracza jej temperatury krytycznej nierówność a,cr. Stąd warunek bezpieczeństwa ogniowego opisuje. (6) a, t a, cr Zgodnie z PN-EN [10] wymagania bezpieczeństwa konstrukcji stalowej są zachowane (rys. 20), gdy w wymaganym czasie jej ognioodporności jeden z następujących warunków: t fi,d,req zachodzi nośność elementu jest większa, niż efekty oddziaływań; spełniony jest warunek (5), temperatura stali elementu jest niższa od temperatury krytycznej; spełniony jest warunek (6) Proste metody projektowania konstrukcji stalowych na warunki pożarowe W PN-EN [10] podano proste modele obliczania nośności stalowych belek i słupów w warunkach pożaru. Są one kompatybilne z zasadami obliczania nośności

35 35 granicznych w warunkach normalnej temperatury według PN-EN [10]. W ich modelach obliczeniowych uwzględnia się zmniejszenie efektów oddziaływań na konstrukcję oraz zmienność właściwości stali w warunkach podwyższonych temperatur. Mogą one być stosowane w ocenie nośności stalowych elementów niezabezpieczonych i zabezpieczonych ogniochronnie oraz chronionych ekranami cieplnymi, wytężonych rozciąganiem, ściskaniem lub/i zginaniem. Obliczeniowe wartości ich nośności określa się zakładając równomierny rozkład temperatury w elemencie, modyfikując odpowiednie nośności elementów określane w normalnej temperaturze według zasad podanych w PN-EN [10]. Oddziaływanie wysokiej temperatury w czasie pożaru na konstrukcje jest traktowane w PN-EN 1990 [7] jako wyjątkowa sytuacja projektowa. W wypadku uproszczonej analizy termiczno-statyczno-wytrzymałościowej, skutki oddziaływań w sytuacji pożarowej można określić pomijając siły wewnętrzne wywołane wymuszonymi lub ograniczonymi wydłużeniami lub deformacjami elementów, na podstawie wyników ustalonych przy projektowaniu w temperaturze normalnej. Ze względu na małe prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia poważnego pożaru i pełnych obciążeń zewnętrznych (użytkowych, klimatycznych, technologicznych itp.) o wartościach charakterystycznych, efekty oddziaływań w warunkach pożaru E, określa się redukując skutki oddziaływań zewnętrznych w trwałej i przejściowej sytuacji projektowej. Oblicza się je ze wzoru fi d E fi, d E fi d, (7) gdzie: E d fi wartości obliczeniowe efektów oddziaływań obliczone dla kombinacji podstawowej według wzoru (6.10) w PN-EN 1990 [7], współczynnik redukcyjny z uwagi na warunki pożarowe, przyjmowany w kombinacji podstawowej (według wzoru (6.10) w PN-EN 1990 [7]), w przypadku trwałych lub przejściowych sytuacji obliczeniowych, który wyznacza się ze wzoru fi Gk fiq G Q G k Q,1 k,1 k,1, (8) w którym G k wartość charakterystyczna oddziaływania stałego, Q k,1 wartość charakterystyczna wiodącego oddziaływania zmiennego,

36 36 fi współczynnik do określenia wartości kombinacji obciążeń zmiennych odpowiednio częstych 1,1 i prawie stałych 1,2, według PN-EN [8], Q,1 współczynnik częściowy wiodącego obciążenia zmiennego. W PN-EN [10] podano też informacje na temat wyznaczania współczynnika redukcyjnego fi w przypadku, gdy korzysta się z kombinacji podstawowej według wzoru (6.10a) i (6.10b) w PN-EN 1990 [7] Metoda temperatury krytycznej Temperatura krytyczna elementu stalowego Podstawą metody temperatury krytycznej oceny bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji jest wyznaczenie temperatury elementu a,t po upływie wymaganego okresu ognioodporności i porównanie jej z temperaturą krytyczną a, cr przy której wystąpiłoby wyczerpanie jego nośności. Temperaturę krytyczną stalowego elementu konstrukcyjnego oblicza się zgodnie z pkt w [10]. Na rys. 21 przedstawiono schemat blokowy procedury projektowania stalowych elementów konstrukcyjnych z uwagi na warunki pożarowe za pomocą metody temperatury krytycznej. W ocenie bezpieczeństwa pożarowego według (6), prosty model metody temperatury krytycznej można stosować tylko wtedy, gdy nie trzeba uwzględniać ich kryteriów stateczności ani warunków odkształcenia. Metodę tę dopuszcza się tylko w przypadku elementów rozciąganych, elementów zginanych zabezpieczonych przed zwichrzeniem oraz krótkich elementów ściskanych, które nie ulegają wyboczeniu. Szybkość nagrzewania się stalowego elementu nieosłoniętego zależy od jego stosunku pola powierzchni nieosłoniętej A m do objętości V na jednostkę jego długości i jej miarą jest wskaźnik ekspozycji przekroju A m /V. W ocenie ilości ciepła przejmowanego przez nieosłonięty element stalowy narażonych na oddziaływanie pożaru nominalnego uwzględnia się ponadto współczynnik poprawkowy k sh związany z efektem zacienienia. Uwzględnia on przesłanianie strumienia ciepła w elementach o wklęsłym obrysie przekroju poprzecznego tzw. efekt cienia. Współczynnik k sh jest ilorazem umownego przekroju skrzynkowego opisanego na przekroju rzeczywistym [ A / V ] i wskaźnika ekspozycji A m / V. m b

37 37 Rys. 21. Schemat blokowy procedury projektowania stalowych elementów konstrukcyjnych z uwagi na warunki pożarowe za pomocą metody temperatury krytycznej

38 38 Wskaźnik stalowego przekroju nieizolowanego [ A / ] m V sh, z uwzględnieniem współczynnika efektu cienia k sh ( k sh 1,0 lub k sh 0,9 ) wynosi dla przekrojów: dwuteowych [ A / V] k [ A / V] 0,9 [ A / V] m sh sh m b b, (9) innych, np. teowych, kątowych [ A / V] k [ A / V] 1,0 [ A / V] m sh sh m b b. (10) Powierzchnię A b mierzy się po wypukłym obrysie przekroju poprzecznego (rys. 22), (nie zaś po rzeczywistym jego obwodzie jak w przypadku powierzchni A m ). Rys. 22. Przykłady sposobu wyznaczania powierzchni A m oraz A b W odniesieniu do stalowego elementu osłoniętego wskaźnik przekroju przyjmuje się jako parametr A p /V i jest to iloraz powierzchni eksponowanej osłony ogniochronnej A p do objętości V na jednostkę jego długości. Temperatura krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnego a,cr, (przy danym poziomie jego obciążenia i poddanemu równomiernemu rozkładowi oddziaływania temperatury) jest to temperatura, przy której następuje ujawnienie się stanu granicznego. Oblicza się ją ze wzoru 1 o a, 39,19ln 1 482, C 3,833, (11) 0,9674 cr 0 w którym wskaźnik wykorzystania nośności 0 elementów o przekrojach klasy 1, 2 lub 3 oraz elementów rozciąganych wyznacza się z zależności E fi, d 0, (12) R fi, d,0

39 39 gdzie: E fi, d efekt oddziaływań na konstrukcję wyznaczony zgodnie z regułami wyjątkowej, R fi,d,0 obliczeniowej sytuacji pożarowej wg PN-EN [8], nośność obliczeniowa elementu stalowego w obliczeniowej sytuacji pożarowej w czasie t 0. Temperatura krytyczna elementów stalowych na ogół wynosi, cr a o C. Wyrażenie (11) określające temperaturę krytyczną a,cr można stosować w przypadku elementów o przekrojach klasy 1, 2 lub 3. W przypadku kształtowników o przekrojach klasy 4 należy stosować zachowawczą temperaturę krytyczną, 350 o a cr C. Temperatura krytyczna elementu zmniejsza się wraz ze wzrostem wskaźnika wykorzystania jego nośności 0. Dla danego czasu trwania pożaru t przyjmując, że a, t a, cr, wartość maksymalną poziomu wykorzystania nośności 0 niezabezpieczonych elementów stalowych zapewniającą ognioodporność można obliczyć z zależności (11), jako funkcję współczynnika przekroju uwzględniającego efekt cienia k sh ( A / V) W ten sposób można przyjąć, że ognioodporność niezabezpieczonych elementów stalowych jest zapewniona po czasie. Maksymalne wskaźniki wykorzystania nośności t, jeżeli 0 max max obliczone dla ognioodporności R 15 i R 30 podano na rys. 23. m. Rys. 23. Maksymalny poziom wykorzystania nośności stalowego elementu nieosłoniętego w funkcji współczynnika przekroju ksh ( Am / V) [17]

40 40 Należy zauważyć, że w przypadku ognioodporności R 30 elementy niezabezpieczone o współczynniku przekroju ( A / V ) m sh większym niż 50 m -1 mogą osiągać tylko bardzo małe wartości wskaźnika wykorzystania nośności elementu 0. Podczas wybuchu pożaru temperatura gazu w strefie ogniowej obiektu gwałtownie wzrasta. Zgodnie z PN-EN [8], do celów projektowania z uwagi na warunki pożarowe, oddziaływanie pożaru na konstrukcję jest przedstawione w postaci standardowej krzywej wzrostu temperatury w czasie ( pożar standardowy ). Analiza termiczna ma na celu wyznaczenie zależności między temperaturą w elementach stalowych i czasem osiągnięcia tej temperatury w elementach (osłoniętych lub nieosłoniętych). W PN-EN [10] podano też prostą metodę obliczeniową oceny nagrzewania się stalowych elementów bez izolacji ogniochronnej oraz izolowanych za pomocą materiałów biernej ochrony przeciwpożarowej Analiza termiczna elementów stalowych bez izolacji ogniochronnej Celem analizy termicznej jest określenie zależności między temperaturą w elemencie i czasem osiągnięcia tej temperatury (zarówno w przypadku elementów nieosłoniętych jak i osłoniętych izolacją ogniochronną). Identyfikując temperaturę w elemencie stalowym w rozważanym czasie trwania pożaru, można ocenić jego stopień wytężenia w pożarze. t W przypadku równoważnego, równomiernego rozkładu temperatury w przekroju, przyrost temperatury a,t t (s) w stalowym elemencie nieosłoniętym jest określony wzorem w przedziale czasu gdzie: Am / V a t ksh h, net, c A m pole powierzchni elementu na jednostkę długości, m 2 /m, V c a h net, d objętość elementu na jednostkę długości, m 3 /m, a a d t, (13) ciepło właściwe stali jako funkcja temperatury według rozdziału 3 w PN-EN [10], J/(kg K), wartość obliczeniowa przyjętego strumienia ciepła wg PN-EN [8], W/m 2, kg/m masa jednostkowa stali. a

41 41 Rozwiązanie równania przyrostowego (13) pozwala wyznaczyć rozwój temperatury elementu stalowego podczas pożaru. W celu zapewnienia zbieżności rozwiązania należy przyjąć pewną górną granicę dla przyrostu czasu (zaleca się, aby przyjęta wartość t nie była większa niż 5 sekund). t Zależność (13) jest zapisana w postaci przyrostowej. Określenie jej odpowiednika w wartościach całkowitych wymaga przyjęcia modelu pożaru i scałkowania po czasie, z wykorzystaniem np. jawnego algorytmu całkowania po czasie. W tabl. 4 [3] podano temperatury a,t po czasie t w przekrojach stalowych elementów konstrukcyjnych bez izolacji ogniochronnej, przy ich różnych wartościach współczynników ekspozycji zycji pożarowej. A * m / V k sh ( A m / V) obliczonych dla standardowej krzywej ekspo- Zastosowanie metody obliczeniowej podanej w PN-EN [10] z czasem działania standardowego pożaru ISO wynoszącym 15 i 30 minut, prowadzi do uzyskania krzywych temperatur przedstawionych na rys. 24, jako funkcja współczynnika przekroju uwzględniającego efekt cienia k sh ( A / V) m. Rys. 24. Temperatura niezabezpieczonych elementów stalowych po 15 i 30 minutach oddziaływania pożaru standardowego ISO w funkcji współczynnika przekroju uwzględniającego efekt cienia ksh ( Am / V) [17]

42 42 Tab. 4. Temperatura a,t po czasie t w przekroju elementu konstrukcji stalowej nieosłoniętego izolacją ogniochronną [3] A m Czas / V, m, t fi 1 min Temperatura stali, o C a,t Analiza termiczna elementów stalowych z izolacją ogniochronną W przypadku równoważnego, równomiernego rozkładu temperatury w przekroju, przyrost temperatury a, t w przedziale czasu t (s) w stalowym elemencie osłoniętym jest określony wzorem

43 43 ( A / V )( p p g, t a, t /10 a, t t ( e 1) d pcaa(1 / 3) ) g, t, ( lecz a t 0 gdy g,, t 0), (14) w którym gdzie: cp p d c a a p ( A / V ) p, (15) c p d p a,t g,t A p pole powierzchni materiału izolacji ogniochronnej na jednostkę długości elementu, m 2 /m, niezależne od temperatury ciepło właściwe materiału izolacji ogniochronnej, J/(kg K), grubość warstwy izolacji ogniochronnej, m, temperatura stali w czasie trwania pożaru t, o C, temperatura otaczających gazów w czasie trwania pożaru t, o C, g,t przyrost temperatury otaczających gazów w przedziale czasu t, K, p p przewodność cieplna zabezpieczenia ogniochronnego, W/(m K), gęstość masy materiału izolacji ogniochronnej, kg/m. Wartość t przyjmuje się nie większą niż 30 sekund. Wartość c p, p, p przejmuje się zgodnie z rozdziałem 3 w PN-EN [10]. Alternatywnie do (14), równomierną temperaturę osłoniętego elementu stalowego przy określonym czasie pożaru można przyjmować z nomogramów do projektowania opracowanych zgodnie z ENV Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members Applied protection to steel members. We wzorze (14) można przyjąć po stronie bezpiecznej, że ciepło właściwe materiału izolacji ogniochronnej jest równe zeru. Przy tej wartości ciepła właściwego izolacji ogniochronnej wartość 0 i zależność (14) przybiera wówczas uproszczoną postać: a, t k p ( g, t a, t ) t c (1 / 3) a a, (16) gdzie: k p wskaźnik izolacyjności przekroju, (W/m 3 K) określony wzorem

44 44 k p A V p p d p. (17) Wzór (16), po scałkowaniu umożliwia opracowanie nomogramów i tablic określających zmianę temperatury stali przy różnych wartościach wskaźnika izolacyjności przekroju k p elementów osłoniętych izolacja ogniochronną. W tabl. 5 [3] podano temperatury a,t po czasie t stalowego elementu osłoniętego izolacją ogniochronną, przy założeniu standardowego modelu pożaru. Tab. 5. Temperatura a,t po czasie t stalowego elementu osłoniętego izolacją ogniochronną, przy założeniu standardowego modelu pożaru k p, W/(m Czas, t fi 3 K min Temperatura stali, o C a,t Porównanie wzrostu temperatury elementów zabezpieczonych i niezabezpieczonych ogniochronnie pokazano na rys. 25.

45 45 Rys. 25. Krzywa pożaru standardowego i porównanie wzrost temperatury elementów zabezpieczonych i niezabezpieczonych ogniochronnie [17] 3.4. Metoda nośności Wprowadzenie Metoda nośności oceny bezpieczeństwa pożarowego polega na obliczeniu wytrzymałości elementu R fi, d, t po upływie wymaganego czasu ognioodporności t i porównaniu jej z efektem oddziaływań na konstrukcje w podwyższonej temperaturze E fi, d (7). Zgodnie z PN-EN [10] należy przyjąć, że bezpieczeństwo elementu stalowego w warunkach pożaru jest zachowane w czasie t, jeśli spełniony jest warunek (5). Proste modele oceny nośności stalowych elementów konstrukcyjnych w warunkach pożaru podano w pkt. 4.2 w [10]. Na rys. 26. przedstawiono schemat blokowy procedury projektowania stalowych elementów konstrukcyjnych z uwagi na warunki pożarowe metodą nosności. W celu uwzględnienia wpływu wysokiej temperatury w modelach oceny nośności elementów stalowych R fi d, t, w PN-EN [9] wprowadzono: obniżone wartości: granicy proporcjonalności stali f p,, granicy plastyczności stali f y, i współczynnika sprężystości podłużnej stali E w podwyższonej temperaturze, współczynnik częściowych przy projektowaniu z uwagi na warunki pożarowe M, fi,

46 46 zwiększoną smukłość względną, długość wyboczeniową słupów w warunkach pożaru (w stężonych układach ramowych) przyjmuje się równą 0,7 i 0,5 ich długości teoretycznej, odpowiednio dla górnej kondygnacji i pozostałych kondygnacji, specjalne krzywe wyboczeniowe dla warunków pożarowych. Rys. 26. Schemat blokowy procedury projektowania stalowych elementów konstrukcyjnych z uwagi na warunki pożarowe za pomocą metodą nośności

47 47 Obliczeniową nośność R fi, d, t w czasie trwania pożaru t wyznacza się przyjmując założenia o równomiernej temperaturze w przekroju. W wypadku nierównomiernego rozkładu temperatury w przekroju, nośności elementów określa się rozpatrując elementarne pola przekrojów z odpowiadającymi im współczynnikami redukcyjnymi granicy plastyczności Właściwości stali w podwyższonej temperaturze W podwyższonej temperaturze następuje degradacja właściwości mechanicznych stali. W PN-EN [10] przyjęto kształt charakterystyki stali jak w temperaturze 20 o C, z jednoczesnym zmniejszeniem wartości: granicy proporcjonalności, granicy plastyczności oraz modułu sprężystości podłużnej, przez zastosowanie współczynników redukcyjnych k i,. Wartości obliczeniowe właściwości mechanicznych stali w podwyższonej temperaturze określa się ze wzorów f f p, y, E k k k p, y, E, f y M, fi f y M, fi E M, fi, (18), (19), (20) gdzie: f p, f, E odpowiednio granica proporcjonalności, granica plastyczności oraz, y, f p, f y, E moduł sprężystości podłużnej stali w podwyższonej temperaturze, odpowiednio granica proporcjonalności, granica plastyczności oraz moduł k p,, k y,, E, sprężystości podłużnej stali w temperaturze 20 o C, k współczynnik redukcyjny odpowiednio granicy proporcjonalności, granicy plastyczności oraz modułu sprężystości podłużnej stali, którego wykresy pokazano na rys. 27, zaś wartości podano w tabl. 6, M, fi częściowy współczynnik bezpieczeństwa, który należy przyjmować M, fi 1, 0. Wykres stali w podwyższonych temperaturach pokazano na rys. 28.

48 48 Rys. 27. Wykresy współczynników redukcyjnych k p,, k y,, k E, charakterystyki stali w podwyższonych temperaturach Tab. 6. Współczynniki redukcyjne właściwości mechanicznych i odkształcalnościowych stali w węglowej w podwyższonych temperaturach Temperatura stali, o C a k y, Współczynnik redukcyjny k p, k E, 20 1,000 1,000 1, ,000 1,000 1, ,000 0,807 0, ,000 0,613 0, ,000 0,420 0, ,780 0,360 0, ,470 0,180 0, ,230 0,075 0, ,110 0,050 0, ,060 0,0375 0, ,040 0,0250 0, ,020 0,0125 0, ,000 0,0000 0,0000

49 49 Rys. 28. Wykres stali węglowej w podwyższonych temperaturach Klasyfikacja przekrojów W warunkach pożarowych przekroje poprzeczne są kwalifikowane tak jak w przypadku obliczeń konstrukcji stalowej w warunkach normalnych tj. zgodnie z tab. 5.2 w PN-EN Wpływ efektów związanych ze zmianą właściwości wytrzymałościowych oraz odkształcalnościowych stali w podwyższonych temperaturach uwzględnia się modyfikując parametr współczynnika ewaluacji właściwości stali ustalany według PN-EN , przez zastosowanie 0,85. Klasyfikacji przekrojów elementów w warunkach pożaru należy dokonać z uwzględnieniem zredukowanej wartości określonej wzorem 235 0,85. (21) f y Modyfikacja parametru (21) zmniejsza wartości graniczne smukłości ścianek sc / c t dla różnych klas przekrojów, tak że niektóre przekroje mogą być zakwalifikowane bardziej rygorystycznie niż w normalnej temperaturze eksploatacji obiektu Obliczeniowa nośność elementu na rozciąganie Obliczeniową nośność elementu rozciąganego o równomiernej temperaturze przekroju a określa się ze wzoru

50 50 N fi,, Rd k y, N Rd M 0 M, fi, (22) gdzie: k y, współczynnik redukcyjny granicy plastyczności w temperaturze a, osiągniętej w N Rd czasie trwania pożaru t, obliczeniowa nośność przekroju w normalnej temperaturze wg PN-EN , M 0 współczynnik częściowy do określenia nośności przekroju wg PN-EN Obliczeniowa nośność elementów ściskanych o przekrojach klasy 1, 2 i 3 Obliczeniową nośność na wyboczenie N b, fi, t, Rd elementów o przekrojach klasy 1, 2 lub 3 oraz równomiernym rozkładzie temperatury a określa się ze wzoru N b, fi, t, Rd fi Ak y, f y M, fi, (23) gdzie: A fi pole przekroju elementu ściskanego, współczynnik wyboczenia giętnego w sytuacji pożarowej, określony jako wartość mniejsza z wartości y, fi oraz z, fi według wzorów fi 1 2 2, (24) i 2 0,51, (25) w którym parametr imperfekcji w warunkach pożarowych odpowiedniej krzywej wyboczeniowej wyrażony zależnością 235 0,65. (26) Smukłość względną elementu ściskanego w temperaturze a, należy ustalić według wzoru f y

51 51 k k y, E,, (27) gdzie: smukłość względna wyboczenia giętnego elementu w temperaturze normalnej według PN-EN Przyjęte w PN-EN procedury określenia nośności prętów z warunku utraty stateczności ogólnej elementów stalowych w pożarze R b, fi, d, t (ściskanych N b, fi, d, t lub zginanych M b, fi, d, t ) różnią się w niektórych aspektach od algorytmów stosowanych do obliczania nośności elementów R b, d w normalnej temperaturze wg PN-EN Dotyczą one m.in. przyjmowania wielokrotnych krzywych niestateczności ogólnej. Wynika to z konieczności uwzględnienia zmian granicy plastyczności oraz modułu sprężystości podłużnej w podwyższonych temperaturach, które bezpośrednio decydują o nośności z warunku utraty stateczności ogólnej (smukłość względną elementu stalowego jest funkcją współczynników k y, i k E, ; parametry te są funkcją temperatury). W procedurze określenia nośności na wyboczenie prętów stalowych w warunkach pożaru można wyróżnić następujące kroki obliczeniowe: 1. Wyznaczenie smukłości względnej wg (27), 2. Obliczenie parametru imperfekcji jako funkcji granicy plastyczności stali wg (26), 3. Określenie współczynnika wyboczeniowego wg (24), 4. Obliczenie nośności elementu ściskanego na wyboczenie w pożarze wg (23). Z analizy (12) wynika, że smukłość względną elementu ściskanego w warunkach pożaru zależy od temperatury, gdyż jest funkcją współczynników k y, i k E,. Dlatego temperaturę krytyczną odpowiadającą danemu poziomowi efektu oddziaływań N fi, Ed oblicza się iteracyjnie. Jeśli ściskany element może wyboczyć się w dwóch płaszczyznach, to w celu wyznaczenia miarodajnej smukłości pierwszy krok obliczeniowy należy powtórzyć dwukrotnie. Następnie powtarza się kroki obliczeniowe 1 4 przy założeniu płaszczyzny wyboczenia, która charakteryzuje się największą smukłością elementu. Na ogół do osiągnięcia zadawalającej zbieżności obliczeń wystarcza druga lub trzecia iteracja (proces iteracyjny jest szybkozbieżny). Iterację powtarza się do uzyskania tej samej wartości współczynnika k y, w dwóch kolejnych iteracjach. Wówczas przyjmuje się, że temperatura a wyznaczona w ostatniej iteracji jest temperaturą krytyczną a, cr analizowanego elementu.

52 52 Przykład obliczeń nośności na wyboczenie słupa stalowego w warunkach pożaru podano m.in. w [6]. W pomieszczeniu wydzielonym ogniowo (w strefie pożarowej) oddziaływania pożarowe redukują sztywność słupów, podczas gdy ich węzły zachowują praktycznie niezmieniona sztywność. Dlatego długości wyboczeniowe słupów l e należy przyjmować jak w projektowaniu elementów w normalnej temperaturze, z wyjątkiem słupów ciągłych w stężonych układach ramowych. Wówczas należy przyjąć długość wyboczeniową: l e 0, 5L - w przypadku słupów kondygnacji pośrednich oraz l e 0, 7L - w przypadku słupów kondygnacji najwyższej (gdzie L - długość teoretyczna słupa rozpatrywanej kondygnacji) Obliczeniowa nośność elementów zginanych o przekrojach klasy 1, 2 i 3 Obliczeniową nośność na zginanie M b, fi, t, Rd z warunku zwichrzenia elementów o przekroju klasy 1, 2 lub 3 oraz o równomiernym rozkładzie temperatury a należy określać ze wzoru M b, fi, t, Rd LT, fi W k y y, f y M, fi, (28) gdzie: W y wskaźnik plastyczny przekroju W pl, y - w przypadku przekrojów klasy 1 i 2 oraz wskaźnik sprężysty przekroju W el, y - w przypadku przekrojów klasy 3, LT, fi współczynnik zwichrzenia w sytuacji pożarowej, który oblicza się ze wzorów LT, fi 1, (29) LT, 2 LT, 2 LT, 2 LT, i 0,51 LT, LT,. (30) Smukłość względną LT, elementu zginanego w temperaturze a, należy ustalić według wzoru LT, k y, LT, (31) k E, gdzie:

53 53 LT smukłość względna zwichrzenia elementu w temperaturze normalnej według PN- EN Przedstawiony sposób oceny nośności można stosować w przypadku zginanych dźwigarów zabezpieczonych przed utratą stateczności ogólnej (przed zwichrzeniem), przyjmując fi 1,0. Podobnie jak w przypadku pręta ściskanego smukłość względną zwichrzenia LT elementu zginanego w warunkach pożaru zależy od temperatury, gdyż jest funkcją współczynników k y, i k E,. Dlatego temperaturę krytyczną odpowiadającą danemu poziomowi efektu oddziaływań M, oblicza się iteracyjnie. Algorytm obliczeniowy oceny fi Ed nośności z warunku zwichrzenia jest taki sam, jak w przypadku wyboczenia elementu ściskanego. Przykład obliczeń nośności na zwichrzenie stalowej belki w warunkach pożaru podano m.in. w [6]. W PN-EN [10] podano szacunkowy sposób uwzględnienia wpływu nierównomiernego rozkładu temperatury w belkach na ich wytężenie. Wówczas w ocenie nośności można wprowadzić współczynnik przystosowania 1 w celu uwzględnienia nierównomiernego rozkładu temperatury na całej wysokość kształtownika stalowego. Można również wprowadzić dodatkowy współczynnik przystosowania 2, aby uwzględnić zmienność temperatury elementu konstrukcyjnego na jego długości, gdy belka jest statycznie niewyznaczalna. Wartości tych współczynników przystosowania należy przyjmować zgodnie z PN-EN [10] Obliczeniowa nośność przekroju na ścinanie W przypadku elementów klasy 1, 2 lub 3, niewrażliwych na niestateczność miejscową pod wpływem naprężeń stycznych, obliczeniową nośność przy ścinaniu czasie t trwania pożaru oblicza się ze wzoru V fi, t, Rd w V fi, t, Rd M 0 ky, VRd, (32) M, fi gdzie: V Rd obliczeniowa nośność przekroju przy ścinaniu w temperaturze normalnej, określona według PN-EN ,

54 54 web temperatura w środniku przekroju, k y, web współczynnik redukcyjny granicy plastyczności stali temperaturze web Nośność elementów o przekrojach klasy 4 W przypadku przekrojów klasy 4 nośność elementów stalowych jest zachowana, jeżeli podczas pożaru temperatura stali nie przekracza wartości maksymalnej temperatury krytycznej, 350 o a cr C. a Obliczeniowa nośność elementów jednocześnie ściskanych i zginanych W PN-EN [10] podano również uproszczoną metodę obliczeniową sprawdzenia ognioodporności jednocześnie ściskanych i zginanych elementów stalowych, o przekrojach klasy 1, 2 lub 3 i o równomiernym rozkładzie temperatury a. W tej sytuacji projektowej prosty model obliczeniowy uwzględnia łączny wpływ zginania i ściskania przez połączenie podanych wyżej dwóch modeli prostych warunków obciążenia (dotyczących i ściskania oraz zginania). 4. Obliczanie odporności ogniowej elementów stalowych na podstawie nomogramów Europejska Konwencja Konstrukcji Stalowych (ECCS) opracowała tzw. euronomogramy, które umożliwiają ocenę ognioodporności stalowych elementów konstrukcyjnych nie izolowanych ogniochronnie oraz izolowanych ogniochronnie. Zamieszczono je na stronie internetowej [18] [24]. Na rys. 29 [18] podano nomogramy temperatur stali a, t w funkcji czasu t, (obliczone dla standardowej krzywej ekspozycji pożarowej wg (13)) stalowych elementów bez izolacji ogniochronnej, przy ich różnych współczynnikach przekroju uwzględnieniem współczynnika cienia). Na rys. 30 [19] podano nomogramy temperatur stali a,t [ A / V ] m sh (z w funkcji czasu t, (obliczone dla standardowej krzywej ekspozycji pożarowej - zgodnie z (14)) stalowych elementów osłoniętych izolacja ogniochronną, przy ich różnych wskaźnikach izolacyjności przekroju k p wg (17).

55 55 Rys. 29. Nomogramy temperatur stali a, t w funkcji czasu t, (obliczone dla standardowej krzywej ekspozycji pożarowej) stalowych elementów bez izolacji ogniochronnej, przy ich różnych współczynnikach przekroju niem współczynnika cienia) [18] [ A / V ] (z uwzględnie- m sh

56 56 Rys. 30. Nomogramy temperatur stali a,t w funkcji czasu t, (obliczone dla standardowej krzywej ekspozycji pożarowej) stalowych elementów osłoniętych izolacja ogniochronną, przy ich różnych wskaźnikach izolacyjności przekroju k p [19]

57 57 Sposób ustalania wskaźnika przekrojów kształtowników stalowych [ A / V ] m sh wg (9) i (10) pokazano na rys. 9 oraz 22 (podano je w tab. 4.2 w PN-EN [10]). Zasady ustalania wskaźnika przekrojów kształtowników stalowych A p /V przedstawiono na rys. 11 (podano je w tab. 4.3 w PN-EN [10]). Na rys. 31 podano przykładowe wartości wskaźników przekroju [ A / V ] m sh oraz A p /V walcowanych na gorąco stalowych kształtowników osłoniętych izolacją ogniochronną (można je określić korzystając z tablic podanych na stronie internetowej [16]). Właściwości fizyczne (miedzy innymi przewodność cieplną p ) podstawowych materiałów stosowanych do wykonania izolacji ogniochronnych stalowych elementów konstrukcyjnych przedstawiono w tabl. 7 [19]. Korzystając z nomogramów na rys. 29 i 30, dla analizowanego wskaźnika przekroju [ A / V ] m sh lub izolacyjności przekroju k p można określić temperaturę a,t stalowego elementu nieizolowanego oraz izolowanego ogniochronnie po czasie t trwania pożaru. Tabl. 7. Właściwości fizyczne podstawowych materiałów stosowanych do wykonania izolacji ogniochronnych stalowych elementów konstrukcyjnych [19] Materiał Powłoki natryskowe - spoiwa z włóknami mineralnymi - spoiwa z kruszywem wermikulitowym - spoiwa z kruszywem perlitowym Powłoki natryskowe o dużej gęstości - spoiwa cementowe z wermikulitem lub perlitem - spoiwa gipsowe z werminulitem lub perlitem Płyty - z wermikulitem lub perlitem na spoiwie cementowym - wapienne z włóknami sylikatowymi - cementowe z włóknami mineralnymi - gipsowe Gęstość masy p kg/m Zawartość wilgoci p % Przewodność cieplna p W/mK 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,20 0,15 0,15 0,20 Ciepło właściwe c p J/kgK Skompresowane płyty z włóknami silikonowymi, mineralnymi i skalnymi , Beton , Beton lekki , Bloczki betonowe , Cegła kratówka , Cegła pełna ,

58 58 Rys. 31. Przykładowe wartości wskaźników przekroju m sh [ A / V ] oraz A p / V walcowanych na gorąco kształtowników nieizolowanych i osłoniętych izolacją ogniochronną [16]