Czynne i bierne zabezpieczenia ogniochronne konstrukcji stalowych

W odróżnieniu od konstrukcji żelbetowych i drewnianych konstrukcje stalowe w warunkach pożaru stosunkowo szybko osiągają wysokie wartości temperatury w całym przekroju poprzecznym. Wówczas, w wyniku oddziaływania podwyższonej temperatury, następuje degradacja właściwości mechanicznych stali.

Przykładowo: nieizolowany ogniochronnie dwuteownik IPE 300 w pożarze standardowym [1] już po 15 min osiąga temp. ok. 670°C. Towarzyszy temu zmniejszenie granicy plastyczności stali fy do ok. 27% jej wytrzymałości w temperaturze normalnej, następuje także redukcja modułu sprężystości podłużnej stali E o 83%. W konsekwencji dochodzi do wyczerpania nośności konstrukcji, awarii lub katastrofy obiektu. 

Można jednoznacznie stwierdzić, że poza nielicznymi wyjątkami konstrukcje stalowe mają bardzo małą nośność ogniową R. Z tego powodu w projektowaniu każdej tego typu konstrukcji, dla której jest wymagana choćby najmniejsza nośność ogniowa, należy zastosować środki ograniczające ryzyko wystąpienia zagrożenia, tj. odpowiednie zabezpieczenia przeciwpożarowe, gwarantujące właściwą wytrzymałość obiektu w warunkach pożaru [2].

W większości przypadków konieczne jest wydłużenie czasu dochodzenia konstrukcji do temperatury krytycznej, czyli zwiększenie odporności ogniowej dzięki zastosowaniu osłon izolujących przed ogniem.

W zależności od ilości i rodzaju palących się materiałów oraz intensywności odpływu spalin i właściwości termoizolacyjnych przegród temperatura spalin podczas pożaru może wynosić 500–1600°C.

Czas nagrzewania się nieizolowanych ogniochronnie elementów stalowych do temperatury krytycznej θa,cr (500–800°C), w której tracą one prawie całkowicie swoją nośność (jeśli obciążenie konstrukcji jest równe normatywnemu), wynosi od kilku do kilkunastu minut.

Metody oceny bezpieczeństwa pożarowego

Stosunkowo często standardowe wymagania dotyczące ognioodporności konstrukcji stalowych (określone w przepisach przeciwpożarowych zawartych w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3]) spełniane są za pomocą tzw. metody tradycyjnej oceny bezpieczeństwa pożarowego.

Projektowanie polega wówczas na doborze środków ochrony przeciwpożarowej, w szczególności paramentów izolacji termicznej chroniącej konstrukcję przed działaniem ognia, tak by została uzyskana niezbędna (wyższa niż wymagana) ognioodporność. Metoda tradycyjna projektowania konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe ogranicza się do prostego wyboru środków izolujących przed ogniem z dostępnej oferty materiałów. Nie dokonuje się żadnej dodatkowej analizy obliczeniowej, oceniającej zachowanie się konstrukcji stalowej podczas pożaru.

Przyjmuje się więc, że producent wyrobu ogniochronnego niejako gwarantuje, że zastosowanie danego typu izolacji (o odpowiednich parametrach, np. grubości) umożliwia uzyskanie żądanej ognioodporności. Metodę tę stosuje się zwykle w projektowaniu stosunkowo prostych budynków, a poziom bezpieczeństwa jest w niej relatywnie łatwy do osiągnięcia i wdrożenia.

Należy zwrócić uwagę, że rezultat takiego postępowania nie zawsze jest wiarygodny – nie uwzględnia się np. swobody odkształceń termicznych, czyli stopnia „skrępowania” elementu.

Ponadto w wielu przypadkach taki sposób projektowania może być zbyt zachowawczy, ponieważ wymaga zastosowania istotnej (kosztochłonnej) biernej ochrony przeciwpożarowej. Zbliżoną do obiektywnej ocenę ognioodporności budowli można uzyskać na podstawie odrębnej analizy termiczno-statyczno-wytrzymałościowej (według metody opartej na właściwościach) [4].

Zachowanie się elementów stalowych bez izolacji termicznej oraz z izolacją termiczną w warunkach pożaru

Szybkość nagrzewania się elementu stalowego zależy głównie od stosunku pola powierzchni nieosłoniętej A_m [m²] do objętości V ^[m3] na jednostkę długości (rys. 1–6). Parametr A_m/V [m^–1] nazywany jest wskaźnikiem ekspozycji przekroju lub wskaźnikiem masywności przekroju. Jest on miarą szybkości nagrzewania się nieosłoniętego elementu stalowego.

Ponadto w ocenie ilości ciepła przejmowanego przez nieosłonięty element stalowy narażony na oddziaływanie pożaru nominalnego bierze się pod uwagę współczynnik poprawkowy ksh związany z efektem zacienienia. Uwzględnia on przesłanianie strumienia ciepła w elementach o wklęsłym obrysie przekroju poprzecznego – tzw. efekt cienia. Współczynnik ksh jest ilorazem umownego przekroju skrzynkowego opisanego na przekroju rzeczywistym [A_m/V]_b i wskaźnika ekspozycji A_m/V.

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 w odniesieniu do przekrojów:

•  dwuteowych:            
                    [A_m/V]_sh = k_sh·[A_m/V]_b = 0,9·[A_b/V] (1)
• innych (np. teowych, kątowych):
                    [A_m/V]_sh = k_sh·[A_m/V]_b = 1,0·[A_b/V] (2)

Powierzchnię A_b (rys. 7–12) mierzy się po wypukłym obrysie przekroju poprzecznego, nie zaś po jego rzeczywistym obwodzie (jak w wypadku powierzchni A_m).

Sposób ustalania wskaźników przekrojów kształtowników stalowych [A_m/V]_sh podano na rys.1–12 oraz w normie PN-EN 1993­‑1­­‑:2007 [5]. Wartości wskaźników przekroju [A_m/V]_sh kształtowników stalowych walcowanych na gorąco można określić za pomocą tablic zamieszczonych na stronie internetowej jednego z producentów stali [6].

Jeśli element jest osłonięty, wskaźnik masywności przekroju przyjmuje się jako A_p/V [m^–1]. Jest to iloraz powierzchni eksponowanej osłony ogniochronnej na jednostkę długości A_p [m2] do objętości elementu stalowego V [m³] na jednostkę długości.

Na rys. 13–16 podano zależności służące do obliczania wskaźników masywności przekrojów elementów stalowych zabezpieczonych ogniowo. Zasady ustalania wskaźników przekrojów kształtowników stalowych Ap/V podano w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5].

Materiały termoizolacyjne mogą mieć formę układów konturowych (o obrysie kształtownika stalowego – RYS. 13, 15), skrzynkowych (obudowujących kształtownik stalowy – rys. 14, 16) albo powierzchniowych (ściany lub sufity izolujące grupowo kształtowniki stalowe).

Mogą być nakładane 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, a także płyt – 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 prowadzonych w warunkach pożaru standardowego. Należy stosować wyłącznie wyroby ogniochronne certyfikowane i ocenione w ramach standardowych badań ogniowych, przeprowadzonych według zaleceń normy europejskiej ENV 13381 [7].

Wymaganą grubość warstwy ochronnej elementu stalowego zwykle można określić na podstawie danych (tabel lub wykresów) publikowanych przez producentów. Najczęściej dane te odnoszą grubość warstwy materiału ogniochronnego do wskaźnika masywności przekroju elementu stalowego A_p/V, temperatury krytycznej θ_a,cr i wymaganego czasu t ognioodporności.

Na rys. 17 pokazano przykładowy wykres dotyczący zabezpieczenia przeciwogniowego wykonanego z użyciem płyt, w tabeli 1 zaś zamieszczono arkusz danych do projektowania ogniochronnych niereaktywnych mas natryskowych.

Analiza termiczna elementów stalowych bez izolacji i z izolacją ogniochronną

Celem analizy termicznej jest określenie zależności między temperaturą w elemencie a czasem osiągnięcia tej temperatury (zarówno w przypadku elementów nieosłoniętych izolacją ogniochronną, jak i osłoniętych). Dzięki wyznaczeniu w rozważanym czasie t trwania pożaru temperatury w elemencie stalowym q_a,t można ocenić jego stopień wytężenia w pożarze.

Nagrzewanie niezabezpieczonych elementów stalowych można określić za pomocą metody analitycznej podanej w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [5], w której wzrost temperatury zależy od oddziaływań termicznych (wyrażonych w postaci strumieni ciepła netto), właściwości termicznych stali oraz wskaźnika ekspozycji.

Na rys. 18 podano nomogramy temperatury stali θ_a,t w funkcji czasu t (obliczone w odniesieniu do standardowej krzywej ekspozycji pożarowej według normy PN-EN 1991-1-2:2006 [1]) elementów stalowych bez izolacji ogniochronnej, przy ich różnych wartościach współczynnika przekroju [A_m/V]_sh (z uwzględnieniem współczynnika cienia).

W normie PN­‑EN 1993-1-2:2007 [5] podano też metodę obliczeniową oceny nagrzewania się elementów stalowych izolowanych za pomocą materiałów biernej ochrony przeciwpożarowej. W takich obliczeniach wzrost temperatury zależy od wskaźnika masywności przekroju izolowanego elementu stalowego A_p/V [m^–1], grubości warstwy izolacji ogniochronnej dp [m] oraz jej wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ_p [W/(m·K)], które wyrażane są wskaźnikiem izolacyjności przekroju kp [W/m³·K], określonym wzorem:

W tabeli 2 przedstawiono właściwości fizyczne podstawowych materiałów stosowanych do wykonywania izolacji ogniochronnych stalowych elementów konstrukcyjnych.

Na rys. 19 [9] podano nomogramy temperatury stali θ_a,t w funkcji czasu t (obliczone w odniesieniu do standardowej krzywej ekspozycji pożarowej według normy PN­‑EN 1991­‑1­‑2:2006 [1]) stalowych elementów osłoniętych izolacją ogniochronną, przy różnych wskaźnikach izolacyjności przekroju k_p.

Za pomocą nomogramów przedstawionych na rys. 18–19 można określić temperaturę θ_a,t nieizolowanego elementu stalowego oraz izolowanego ogniochronnie po czasie t trwania pożaru w odniesieniu do analizowanego wskaźnika przekroju [A_m/V]_sh lub wskaźnika izolacyjności przekroju k_p.

Z porównania wzrostu temperatury w czasie pożaru standardowego elementów zabezpieczonych i niezabezpieczonych ogniochronnie wynika, że większy wskaźnik przekroju prowadzi do szybszego nagrzewania się elementu stalowego – wysoka wartość wskaźnika ekspozycji przekroju oznacza dużą powierzchnię nieosłoniętą w stosunku do jej objętości i element ten otrzymuje więcej ciepła niż element o niskim wskaźniku i małej powierzchni nieosłoniętej.

Metoda temperatury krytycznej

Podstawą oceny bezpieczeństwa pożarowego metodą temperatury krytycznej jest wyznaczenie temperatury θ_a,t elementu stalowego po upływie wymaganego okresu ognioodporności t_fi,d,req i porównanie jej z temperaturą krytyczną θ_a,cr, przy której wystąpiłoby wyczerpanie nośności, tj. sprawdzenie warunku:

θ_a,t ≤ θ_a,cr (4)

Ten model obliczeniowy oceny bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji można stosować tylko wtedy, gdy nie trzeba uwzględniać kryteriów stateczności ani warunków odkształcenia elementu stalowego.

Temperatura krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnego θ_cr (przy danym poziomie jego obciążenia i równomiernym rozkładzie oddziaływania temperatury) to temperatura, przy której następuje ujawnienie się stanu granicznego. Oblicza się ją ze wzoru:

w którym wskaźnik wykorzystania nośności m₀ określa się wzorem:

gdzie:

E_fi,d – efekt oddziaływań na konstrukcję wyznaczony zgodnie z regułami wyjątkowej, obliczeniowej sytuacji pożarowej według normy PN-EN 1991-1-2:2007 [4],

R_fi,d,0 – nośność obliczeniowa elementu stalowego w obliczeniowej sytuacji pożarowej w czasie t = 0.

Temperatura krytyczna elementów stalowych θ_a,cr wynosi na ogół 500–800°C. Wzór (5), określający temperaturę krytyczną θ_a,cr, można stosować w odniesieniu do elementów o przekrojach klasy 1, 2 lub 3. W przypadku kształtowników o przekrojach klasy 4 należy stosować zachowawczą temperaturę krytyczną θ_a,cr = 350°C.

Sposoby zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowych

Aby umożliwić ewakuację z budynku objętego pożarem, ograniczyć skutki działania ognia na wyposażenie obiektu i zmniejszyć zakres zniszczenia konstrukcji, stosuje się izolacje ogniochronne elementów konstrukcyjnych lub chłodzenie spryskiwaczami automatycznymi.

Montuje się także instalację wykrywaczy pożaru (czujniki i alarmy, które umożliwiają wykrycie ognia lub dymu i stłumienie pożaru w najwcześniejszej fazie zapłonu), ekrany oraz klapy dymowe. Metody ochrony przeciwpożarowej dzielą się na systemy czynne i bierne.

Izolacje ogniochronne mogą działać w różny sposób: mieć niską wartość współczynnika przenikania ciepła, dużą wilgotność, ­zmieniać swoje rozmiary pod wpływem wzrostu temperatury (co wpływa korzystnie na zmianę wskaźnika masywności przekroju, np. pęcznienie powłoki) czy mieć dużą pojemność cieplną.

Jest wiele rodzajów powłok (otulin) ogniochronnych różniących się efektywnością czy sposobem zamocowania na elemencie. Za każdym razem jednak zadaniem izolacji ogniochronnej jest minimalizacja przyrostu temperatury chronionego elementu stalowego. Bardzo ważnymi parametrami powłok ogniochronnych są: współczynnik przejmowania ciepła, ciepło właściwe i przewodzenie ciepła. Dzięki nim stal nabiera cech odporności ogniowej i może być bezpiecznie stosowana jako materiał konstrukcyjny w budownictwie.

Metody czynne

Zastosowanie urządzeń dynamicznej ochrony przeciwpożarowej (czujników, alarmów, klap dymowych, instalacji tryskaczowych) lub gaszenie zarzewia pożaru przez ludzi (gaśnicami) nosi nazwę czynnych metod ochrony przeciwpożarowej. Ich głównym zadaniem jest ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia, tak by możliwa była jak najszybsza ewakuacja oraz interwencja służb ratowniczych.

Urządzenia służące do wykrywania pożaru różnią się technologią (statyczne, oparte na pomiarze prędkości przepływu płynów lub różnicowe), rodzajem wykrywanego zjawiska (dym, płomienie, wysoka temperatura) oraz zakresem działania (ograniczone lub liniowe). Stosowane są systemy niezależnego wykrywania pożaru i aktywowania systemów zabezpieczających.

Po wykryciu pożaru (lokalnego) zostaje aktywowane jedno automatyczne zabezpieczenie (lub większa ich liczba) w celu włączenia urządzeń zabezpieczających – drzwi pożarowych, klap dymowych itp. W ramach strategii przeciwpożarowej budynku montuje się m.in. określoną liczbę czujników, które umożliwiają wykrycie ciepła, dymu i płomieni. Systemy alarmów przeciwpożarowych ostrzegają osoby przebywające w budynku o konieczności ewakuacji.

Stosowane są także instalacje tryskaczowe, które umożliwiają stłumienie niewielkiego pożaru bezpośrednio po jego wybuchu i w krótkim czasie od tego momentu. Tryskacz (fot. 1–3) wyposażony jest zazwyczaj w niewielką bańkę (fot. 1), która zamyka dyszę wodną.

W razie wybuchu pożaru rozgrzana ciecz zwiększa swoją objętość i rozrywa bańkę (fot. 2), w wyniku czego zostaje uruchomiona głowica tryskaczowa – dysza wodna (fot. 3). Instalacja tryskaczowa zwiększa bezpieczeństwo konstrukcji i możliwość ochrony mienia znajdującego się w budynku.

Chłodzenie polega na ograniczeniu efektu działania wysokiej temperatury pożaru wskutek spryskiwania wodą stalowej konstrukcji nośnej. Rozwiązanie to wymaga odpowiednich rurowych instalacji wodnych oraz pomp, dlatego jest rzadko stosowane.

Powszechnie stosowane (m.in. w obiektach magazynowych) są układy gaśnicze, które wytwarzają warstwę piany, zmniejszającą dostęp tlenu i/lub ochładzającą pomieszczenie. Automatyczne wodne systemy gaśnicze (m.in. tryskaczowe) umożliwiają wykrycie pożaru dzięki czujnikom temperatury zamontowanym w głowicach tryskaczowych. Gaśnice gazowe, wykorzystujące m.in. CO₂ czy FM200, obniżają zawartość tlenu w obszarze występowania pożaru. Technologia ta jest często wykorzystywana w pomieszczeniach z komputerami i tzw. czystych, np. w laboratoriach i szpitalach.

Innymi urządzeniami dynamicznej ochrony przeciwogniowej są klapy dymowe, które samoczynnie, grawitacyjnie oddymiają obiekt. Ich podstawową funkcją jest odprowadzanie dymu, gazów pożarowych i energii cieplnej z zamkniętych pomieszczeń (hal produkcyjnych, hal magazynowych, budynków użyteczności publicznej itp.) na zewnątrz obiektu. Systemy te umożliwiają usunięcie dymu oraz ciepła ze strefy objętej pożarem.

Utrzymują warstwę o niewielkim zadymieniu, ułatwiają ewakuację i akcję gaśniczą, obniżają temperaturę warstwy dymu (a dzięki temu oddziaływania termiczne na dach i konstrukcję nośną budynku), a tym samym utrudniają rozprzestrzenianie się pożaru, czego wymiernym skutkiem są mniejsze straty materialne.

Metody bierne

Aby spowolnić tempo nagrzewania się stalowej konstrukcji nośnej obiektu, a tym samym zapewnić wymaganą ognioodporność, stosuje się bierną ochronę przeciwpożarową. Izolowanie ognioochronne elementów stalowej konstrukcji nośnej polega na oddzieleniu jej od stref narażonych na pożar lub/i na zabezpieczeniu pojedynczych elementów.

Do tej grupy należy zaliczyć m.in. zabezpieczenia powierzchniowe (grupowe) pionowe (np. ściany oddzielające – rys. 20–23) lub poziome (np. sufity podwieszane – rys. 24) oraz usytuowanie elementów nośnych poza obrysem budynku (fot. 4).

W wypadku umieszczenia głównych elementów konstrukcji nośnej budynku (słupów, belek, stężenia) poza zewnętrzną przegrodą budynku można uniknąć konieczności zapewnienia ochrony przeciwpożarowej, ponieważ wymagania ognioochronności zewnętrznej stalowej konstrukcji nośnej są dużo mniejsze niż w wypadku wewnętrznego ustroju nośnego. Zewnętrzna konstrukcja jest wówczas narażona wyłącznie na działanie płomieni wydostających się z otworów oraz płonących elementów budynku, a jej temperatura jest niższa niż temperatura elementów wewnątrz strefy pożarowej, m.in. dzięki działaniu powietrza otoczenia.

W grupie biernych środków ogniochronnych konstrukcji stalowych można również wyróżnić:

• izolacje pasywne termicznie (masy natryskowe lub okładziny płytowe, a także zabezpieczenia hybrydowe polegające na połączeniu okładzin płytowych i mas natryskowych),
• izolacje aktywne termicznie (powłoki pęczniejące i powłoki absorpcyjne).

Pasywne termicznie (niereaktywne) izolacje ogniochronne w warunkach pożaru nie zmieniają swoich właściwości. Do ­najpopularniejszych izolacji niereaktywnych należą powłoki natryskowe i płyty. Natomiast reaktywne termicznie materiały zabezpieczające zmieniają właściwości podczas pożaru wskutek wysokiej temperatury. Najbardziej znanym przykładem tego typu zabezpieczeń są pęczniejące powłoki przeciwogniowe.

Izolacje natryskowe

Powłoki przeciwpożarowe nakładane natryskowo są jedną z najpowszechniejszych technologii zabezpieczenia. Mogą być grubo- lub cienkowarstwowe.

W wypadku grubowarstwowych izolacji ogniochronnych rozpylany wyrób ma konsystencję włóknistą lub konsystencję gęstej pasty i jest natryskiwany bezpośrednio na konstrukcję stalową (fot. 5). W skład natrysków wchodzą najczęściej włókna mineralne, wermikulit, żużel lub gips oraz substancja wiążąca (spoiwo). W zależności od rodzaju tej substancji wyróżnia się powłoki na bazie spoiwa:

• 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.

Zaletą natryskowych powłok ogniochronnych jest łatwość nakładania warstwy ognioochronnej oraz jej dopasowywanie się do kształtu chronionego elementu stalowego. Głównym składnikiem obecnie produkowanych natryskowych izolacji ogniochronnych są zaprawy na kruszywie, które pęcznieje pod wpływem wysokiej temperatury.

Masa ogniochronna musi mieć możliwie niską przewodność cieplną i stabilność w wysokiej temperaturze. Nakłada się ją w stanie płynnym za pomocą specjalnych urządzeń (agregatu natryskowego z pneumatycznym transportem mieszanki). Ognioochronne masy natryskowe po stwardnieniu i wyschnięciu powinny mieć gęstość powyżej 250 kg/m³, ale poniżej 700 kg/m³.

Niezwykle ważne jest prawidłowe przygotowanie podłoża, inaczej powłoka może odpadać od konstrukcji stalowej. Przed nałożeniem masy ognioochronnej powierzchnie elementów stalowych powinny być zabezpieczone powłokami antykorozyjnymi. Izolacje natryskowe stosuje się głównie jako konturowe, tj. na całym obwodzie zabezpieczanego kształtownika (rys. 13, 15), a w wypadku przekrojów prętów wielogałęziowych – w postaci zamkniętych skrzynek.

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).

Zwykle warstwa natrysku ma grubość 15–60 mm. Aby zapewnić odpowiednią przyczepność i trwałość tych zabezpieczeń, stosuje się podkłady zapewniające przyczepność natrysku do powierzchni stali lub wykonuje się siatkowanie zabezpieczanych kształtowników. Wykorzystanie technologii natryskowej wiąże się z zabrudzeniami i zamoczeniem otoczenia, co jest typowe dla procesów mokrych. Natrysk ogniochronny w zależności od grubości wykonywany jest w jednej lub kilku warstwach, najczęściej są to 2 lub 3 warstwy.

Dzięki masom natryskowym można zabezpieczyć ogniochronnie elementy konstrukcji stalowych w klasach R 15–R 240. Materiały te stosuje się głównie w obiektach przemysłowych, magazynowych i budynkach o konstrukcji szkieletowej. Z powodów estetycznych takie izolacje często maskuje się dodatkowymi ekranami lub sufitami wykończeniowymi. O skuteczności tego rozwiązania w dużym stopniu decyduje jakość wykonawstwa.

Skrzynkowe i konturowe izolacje z płyt

Jako zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych powszechnie stosuje się również płyty termoizolacyjne (rys. 25–27). Materiały te są dostępne w stosunkowo wielu grubościach (od 15 mm do 50 mm) i umożliwiają uzyskanie ognioodporności konstrukcji stalowej w klasach R 30–R 120.

Oddziaływanie strumienia cieplnego wywołanego przez pożar ograniczone jest dzięki zamkniętej obudowie oraz właściwościom termoizolacyjnym płyt ogniochronnych. Płyty produkowane są zazwyczaj z włókien mineralnych lub występujących w naturze materiałów w postaci płyt, jak wermikulit lub mika, połączonych spoiwem cementowym i/lub krzemianowym.

Wermikulit (łuszczyk biotytowy, złożony glinokrzemian magnezu i potasu) pod wpływem wysokiej temperatury zmienia swój skład chemiczny. Podgrzany do temp. ok. 1100°C hydratyzuje się i rozszczepia wzdłuż powierzchni styku kryształów, w wyniku czego powiększa swoją objętość 15–20 razy. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła wermikulitu jest bardzo niska i wynosi 0,04–0,05 W/(m·K), a jego ciężar objętościowy zawiera się w przedziale 80–150 kg/m³.

Oprócz płyt z wermikulitu, miki i wełny mineralnej stosowane są płyty gipsowo-kartonowe, różnego rodzaju płyty na spoiwie gipsowym, cementowym, cementowo-wapiennym ze zbrojeniem rozproszonym (najczęściej z włókien szklanych) oraz z różnego rodzaju wypełniaczami.

Obecnie bardzo popularne są płyty ogniochronne na bazie wełny mineralnej lub wełny skalnej (rys. 28). Wykorzystuje się je do izolacji stalowej konstrukcji nośnej budynku, stref pożarowych czy kanałów wentylacyjnych. Ich zaletą jest mała masa (ok. 165 kg/m3), a zatem stosunkowo niewielkie obciążenie chronionej termicznie stalowej konstrukcji nośnej. Parametr ten może być istotny, pod warunkiem że nie ma potrzeby estetycznego wykończenia konstrukcji.

Podstawowym elementem systemu są bowiem płyty wykonane z wełny mineralnej, które z powodów technicznych nie wymagają dodatkowej osłony, ale też nie są zbyt estetyczne. Można je zamaskować sufitem podwieszanym lub płytami innego rodzaju mocowanymi bezpośrednio na konstrukcji. Stanowi to jednak dodatkowe obciążenie. Zaletą tego systemu jest nietoksyczność i ekologiczność materiału, który jest prawie w całości naturalny.

Zabezpieczenie konstrukcji stalowej za pomocą płyt ze skalnej wełny mineralnej osiąga klasę odporności ogniowej do R 210.

Obudowa elementów stalowych gotowymi płytami ogniochronnymi nie wymaga stosowania procesów mokrych w robotach wykończeniowych. Płyty mocowane są do konstrukcji stalowej mechanicznie (za pomocą śrub, łączników, taśm i kształtowników stalowych lub przyklejane i unieruchomione kołkami).

Pewne trudności występują podczas przytwierdzania ich do elementów o złożonych kształtach. Zazwyczaj są też droższe niż masy natryskowe lub powłoki ogniochronne. Ponadto czas montażu płyt jest znacznie dłuższy niż czas nakładania powłok ogniochronnych, co powoduje zwiększenie kosztu inwestycji i wpływa na wydłużenie czasu realizacji obiektu.

Płyty ogniochronne należy bardzo starannie montować, gdyż przedostawanie się gorących gazów do obszaru połączeń może znacznie wpłynąć na skuteczność ochrony przeciwpożarowej. Z tego powodu podczas montażu należy zwrócić szczególną uwagę na jakość wykonanych połączeń płyt ogniochronnych, tak by zagwarantowana była trwałość zabezpieczenia odporności ogniowej w założonym czasie eksploatacji obiektu.

Zabezpieczenia grupowe

Zabezpieczenie to nazywane jest grupowym, ponieważ chroni wiele elementów nośnych.

Powierzchniowe osłony ochronne izolują termicznie stalową konstrukcję nośną od rozprzestrzeniającego się ognia dzięki oddzieleniu jej elementami tworzącymi ciągłą ścianę (rys. 20–23) lub/i sufit (rys. 24). W przypadku montażu pionowego są to panele ścienne, natomiast umieszczone poziomo tworzą sufit podwieszany.

Zastosowane wyroby muszą zostać przebadane pod kątem ognioodporności. Dobór osłon powinien wynikać z ich właściwości przeciwpożarowych. Elementy te mogą pełnić również funkcję izolacji akustycznej i termicznej oraz tworzyć estetyczne wykończenie budynku.

Stropy pomieszczeń administracyjno-socjalnych zabezpiecza się najczęściej za pomocą sufitów podwieszanych. Wówczas, aby zabezpieczyć elementy poziome, takie jak belki, podciągi, dźwigary dachowe (pełnościenne lub kratowe), oddziela się elementy 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 różnymi wypełniaczami.

Płytowe zabezpieczenia ogniochronne przyklejane są do elementów konstrukcji stalowej lub/i łączone mechanicznie. Elementy docina się do odpowiednich wymiarów i łączy bezpośrednio na budowie, co w wypadku dwu- lub trzywarstwowej obudowy i wielu łączników sprawia, iż prace instalacyjne trwają dłużej niż aplikowanie mas natryskowych. Obudowane elementy stalowe wyglądają za to bardziej estetycznie i nie wymagają dodatkowego wykończenia. Gęstość płyt ze skalnej wełny mineralnej wynosi ok. 165 kg/m3, a płyt gipsowo­‑kartonowych zbrojonych rozproszonym włóknem szklanym – ok. 800 kg/m³.

Elementy pionowe, takie jak słupy, można zabezpieczać m.in. za pomocą przegród pionowych w postaci ścian murowanych, betonowych lub lekkich ścian warstwowych. Stanowią one pionowe zabezpieczenie grupowe, które stosuje się w celu podziału np. na strefy pożarowe (np. w wypadku wielonawowej hali – rys. 20), ograniczające rozprzestrzenianie się pożaru na cały obiekt. Przykład rozwiązań konstrukcyjnych ścian przeciwpożarowych równoległych do portalowej ramy wielonawowej hali o konstrukcji stalowej pokazano na RYS. 21–23.

Środki aktywne termicznie

Jednymi z najczęściej stosowanych zabezpieczeń ogniochronnych aktywnych termicznie są farby pęczniejące. W trakcie pożaru reagują one na działanie wysokiej temperatury i zmieniają swoje właściwości – z farby dekoracyjnej na warstwę termoizolacyjną.

Pod wpływem ciepła powłoki farb pęcznieją i tworzy się porowata pianka ograniczająca dopływ ciepła do stali (rys. 29–30). Pęczniejące farby ogniochronne stosowane są do zabezpieczeń konstrukcji stalowych, w których wymagana jest klasa odporności ogniowej R 15–R 60.

Pęczniejące przeciwogniowe powłoki ochronne przypominają wyglądem normalne farby. Składają się z następujących warstw (rys. 29):

• gruntującej (o gr. 40–100 mm) – podkładu antykorozyjnego, który przystosowuje podłoże do jak najlepszego połączenia z farbą zasadniczą;
• przeciwogniowej (o gr. 300–4000 mm) – zasadniczej powłoki pęczniejącej o właściwościach ogniochronnych;
• nawierzchniowej (o gr. 40–120 mm) – zwykle dostępnej w wielu kolorach; dzięki niej chroniony element nabiera walorów estetycznych; jej zadaniem jest także ochrona powłoki pęczniejącej przed oddziaływaniem środowiska w normalnej temperaturze.

Powłoki nanosi się ręcznie na konstrukcję stalową (wałkiem lub pędzlem) bądź natryskowo. Na stalową powierzchnię, oczyszczoną w sposób przewidziany jak do ochrony przed korozją, nakłada się pierwszą warstwę gruntującą. Po jej wyschnięciu aplikuje się min. 2 warstwy ochrony przeciwogniowej, o łącznej grubości warstw w stanie zimnym 300–4000 mm. Warstwy te po zmianie w piankę uzyskują grubość 30–400 mm (rys. 30) i izolują powierzchnię stali przed oddziaływaniem ognia (fot. 6).

Dzięki niskiej wartości współczynnika przewodzenia ciepła oraz zmianie objętości (i podwyższeniu wskaźnika masywności przekroju chronionego elementu) spęczniała powłoka ognioochronna umożliwia uzyskanie odporności ogniowej konstrukcji stalowej. Farba nawierzchniowa służy do zapewnienia szczelności powłok ogniochronnych i zapobiega przenikaniu wilgoci podczas eksploatacji obiektu. Zazwyczaj farby pęczniejące nakłada się przed montażem konstrukcji.

Podstawowe zalety tych materiałów to:

• łatwość pokrycia elementów, co jest szczególnie istotne w konstrukcjach stalowych kratowych lub stężonych, w których występuje duża liczba elementów (prętów), często połączonych ze sobą w skomplikowane struktury;
• estetyka zabezpieczanych elementów (różnorodna kolorystyka i faktury);
• mała grubość powłoki izolującej (w porównaniu np. z masami natryskowymi);
• szybkość wykonywanych prac ogniochronnych, co korzystnie wpływa na koszty inwestycji.

Jednym z najważniejszych parametrów skuteczności farby pęczniejącej jest grubość – to ona bezpośrednio wpływa na poziom odporności ogniowej chronionego elementu. Grubość powłoki warstwy przeciwogniowej przyjmuje się na podstawie wskaźnika masywności A_m/V oraz temperatury krytycznej θ_a,cr elementu stalowego.

O skuteczności i trwałości ogniochronnych farb pęczniejących decyduje jakość wykonawstwa. Prawidłowe nałożenie tych materiałów na konstrukcję stalową jest trudne i pracochłonne. Wymaga przede wszystkim dużej staranności, doświadczenia i odpowiedniego sprzętu. Dlatego prace powinny być wykonywane wyłącznie przez specjalistyczne i przeszkolone ekipy, pod ciągłym nadzorem osoby odpowiedzialnej za jakość.

Kontrola jakości dotyczy wszystkich faz prac zabezpieczających, zwłaszcza oczyszczenia stali, przygotowania antykorozyjnego podłoża oraz sprawdzania grubości nakładanych powłok zabezpieczających. W tym przypadku niezbędne jest ścisłe przestrzeganie reżimów termiczno-wilgotnościowych podczas malowania, a także stosowanie przerw między 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 właściwości ogniochronnych.

Literatura

1. PN-EN 1991-1-2:2006, „Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1–2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru”.
2. PN-EN 1990:2004, „Podstawy projektowania konstrukcji”.
3. Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690 ze zm.).
4. A. Biegus, „Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodów”, „IZOLACJE”, nr 2/2013, s. 20–28.
5. PN-EN 1993-1-2:2007, „Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1–2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe”.
6. Strona internetowa: www.arcelormittal.com.
7. ENV 13381, „Fire tests on elements of building constructions”.
8. „Konstrukcje stalowe w Europie. Jednokondygnacyjne konstrukcje stalowe. Część 7: Inżynieria pożarowa”, www.arcelormittal.com.
9. Strona internetowa: www.steel-access.com.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!