Ocena trwałości i skuteczności ogniochronnej nieznanych pasywnych zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji stalowych po upływie czasu

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], nadbudowa, przebudowa czy zmiana sposobu użytkowania budynków istniejących wiąże się z koniecznością ponownego spełnienia wymagań tamże zawartych.

W kontekście odporności pożarowej budynku może to oznaczać konieczność ponownego określenia wymagań w zakresie odporności ogniowej elementów i wykazania, że posiadają one odporność ogniową we wskazanych klasach.

Często zdarza się, że nie ma dokumentacji stanu istniejącego i nie wiadomo, jakie zabezpieczenia ogniochronne zastosowano ani jaka jest ich skuteczność, szczególnie po upływie czasu.

Założenie, że zabezpieczony ogniochronnie element konstrukcyjny, który kiedyś oceniono jako spełniający wymagania odporności ogniowej, nadal je spełnia w tej samej klasie może być niezasadne.

W myśl zasad budownictwa racjonalnego nie należy również od razu zakładać, że istniejące izolacje ogniochronne trzeba usunąć, a w ich miejsce zastosować nowe.

Istnieją metody badawcze oceny trwałości tych materiałów oraz metody obliczeniowe oceny odporności ogniowej zabezpieczonych nimi elementów konstrukcyjnych, na podstawie których można wykazać, czy budynek nadal spełnia wymagania w swojej klasie odporności pożarowej.

Trwałość izolacji ogniochronnych

Projektowany czas użytkowania pasywnych zabezpieczeń ogniochronnych wynosi 10 lat, w szczególnych przypadkach - 25 lat [2-4].

Duże zróżnicowanie warunków klimatycznych, a także zróżnicowane obciążenia konstrukcji, powodują konieczność ograniczenia zastosowania wyrobów ogniochronnych do określonej sytuacji, pozwalających osiągnąć przewidywany okres użytkowania.

Na ogół wyroby ogniochronne, z uwagi na okres ich użytkowania i trwałość, poddawane są działaniu różnych czynników degradujących, takich jak temperatura, w tym zamrażanie i rozmrażanie, wilgotność, działanie deszczu, oddziaływanie promieniowania UV, korozja biologiczna oraz zanieczyszczenia na terenach przemysłowych. Wszystkie te czynniki mają rzeczywisty wpływ na okres użytkowania i trwałość.

Kategorie zastosowań związanych z rodzajem warunków środowiskowych określone są jako kategorie użytkowania typu X, Y, Z1, Z2 [2], gdzie:

• typ X - zastosowanie zewnętrzne, wewnętrzne oraz półekspozycje dla wszystkich warunków środowiskowych,
• typ Y - zastosowanie wewnętrzne oraz półekspozycje, z włączeniem temperatury poniżej 0°C, ale nie narażone na działanie deszczu i ograniczone działanie promieniowania UV (przy czym ekspozycja na UV nie podlega ocenie),
• typ Z1 - zastosowanie wewnętrzne, w tym warunki dla wilgotności ≥ 85% oraz temperatura > 0°C,
• typ Z2 - zastosowanie wewnętrzne, w tym warunki dla wilgotności < 85% oraz temperatura > 0°C.

Identyfikacja materiału

W skład suchych mieszanek mas natryskowych wchodzą spoiwa cementowe, gipsowe lub wapienne, wypełniacze z wełny mineralnej, wermikulitu, perlitu lub innego materiału o wysokiej pojemności cieplnej oraz dodatki modyfikujące [5].

Części składowe wyrobu ogniochronnego powinny być w pełni zidentyfikowane. W zależności od charakteru i rodzaju wyrobu ogniochronnego muszą być przeprowadzone procedury identyfikacyjne, które obejmują:

• badania instrumentalne,
• badania określające skład i ilość surowców, recepturę itp.,
• parametry procesu produkcyjnego, takie jak: ciśnienie, temperatura, czas,
• właściwości fizyczne: gęstość, wytrzymałość mechaniczną [5].

Identyfikację wyrobów zapraw ogniochronnych wykonuje się na podstawie badań zapraw w stanie sypkim i zapraw stwardniałych. Identyfikacja powinna opierać się na badaniach suchych mieszanek poprzez ocenę wyglądu oraz gęstości nasypowej oraz badaniach zapraw stwardniałych, które powinny obejmować:

• gęstość objętościową w stanie suchym i w stanie naturalnego zawilgocenia,
• wytrzymałość na zginanie i ściskanie,
• skurcz liniowy,
• oddziaływanie korozyjne na powierzchnię stali oraz przyczepność do podłoża.

Jeśli jest to możliwe, należy powołać się na europejskie normy zharmonizowane lub europejskie specyfikacje techniczne. W przypadku, gdy takie specyfikacje są niedostępne, należy dokonać identyfikacji wyrobów przez odniesienie się do ich właściwości fizyko-chemicznych.

W zakresie oszacowania przewodności cieplnej i ciepła właściwego materiału ogniochronnego, przy braku możliwości wykonania badań laboratoryjnych, można korzystać z opracowania ECCS Technical Note 89 [6] i przyjmować wartości z TABELI 1.

Ocena trwałości

Powinna ona bazować na wynikach badania przyczepności, skuteczności izolacji i ocenie wizualnej, a w przypadku zapraw ogniochronnych użytkowanych na obiekcie - również na badaniu grubości warstwy.

Przed wykonaniem oceny przyczepności należy wykonać kontrolę stanu zaprawy ogniochronnej. Powierzchnia powinna być niepyląca, spoista, bez spękań i ubytków.

W przypadku zestawów ogniochronnych przyklejonych do podłoża ruchy przewidziane podczas zwykłego użytkowania nie powinny spowodować utraty przyczepności w systemie. Przyklejone zestawy ogniochronne powinny wytrzymać deformacje spowodowane zmianami temperatury i naprężenia.

W niektórych przypadkach wskazane jest stosowanie siatek wzmacniających, które mają za zadanie zapewnienie dobrej przyczepności.

Określenie przyczepność do podłoża zapraw ogniochronnych wykonuje się metodą odrywową (pull-off). Metody badań opisano w normie PN-EN 1015-12:2002 [7] lub w dokumencie EGOLF AGREEMENT EA 5 [8].

W każdym przypadku przyczepność jest określana jako maksymalne naprężenie rozciągające, wywołane przez obciążenie odrywające przyłożone prostopadle do powierzchni zaprawy naniesionej na podłoże.

Obciążenie odrywające jest przykładane za pomocą płytki odrywającej, przyklejonej do powierzchni licowej badanej zaprawy. Wykazana przyczepność jest ilorazem obciążenia niszczącego i powierzchni badawczej próbki. Oczekiwane wartości przyczepności znajdują się w zakresie od 0,02 N/mm² do 0,1 N/mm².

Na FOT. 1 i FOT. 2 przedstawiono widok konstrukcji stalowej zabezpieczonej ogniochronnie masami natryskowymi i przygotowania do badania przyczepności.

W przypadku badań zapraw ogniochronnych na istniejącym obiekcie, jeśli jest to możliwe, należy pobrać materiał do badań gęstości i zawartości wilgoci. Wartość gęstości objętościowej stwardniałej zaprawy zależy od rodzaju zastosowanego wypełnienia, ale nie powinna być niższa niż 300 kg/m³.

W odniesieniu do płyt i okładzin ogniochronnych najważniejsza jest ocena sposobu mocowania izolacji ogniochronnej. Znaczenie mają wymiary łączników mechanicznych, materiał (stal, aluminium) oraz ich wytrzymałość.

W TABELI 2 przedstawiono wyniki oznaczenia właściwości niezidentyfikowanego zabezpieczenia ogniochronnego na istniejącym obiekcie.

Temperatura elementu zabezpieczonego

Temperaturę zabezpieczonego ogniochronnie elementu stalowego można wyznaczać za pomocą metody obliczeniowej podanej w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [9], według której przyrost temperatury Δθ_a,t w przedziale czasu Δt w stalowym elemencie osłoniętym wyznacza się ze wzorów:

(1)

(2)

gdzie:

Δθ_a,t - przyrost temperatury stali w czasie trwania pożaru t [K],

Δθ_a,t ≥  0, gdy Δθ_g,t > 0,Δθ_g,t - przyrost temperatury otaczających gazów w przedziale czasu Δt [K],

θ_a,t - temperatura stali w czasie trwania pożaru t [°C],

θ_g,t - temperatura otaczających gazów w czasie trwania pożaru t [°C],

Δt - przedział czasu [s], Δt  ≤  30 s,

Ap/V - wskaźnik ekspozycji przekrojów stalowych zabezpieczonych, [1/m],

λ_p - niezależna od temperatury przewodność cieplna zabezpieczenia ogniochronnego [W/(m·K)],

c_a - zależne od temperatury ciepło właściwe stali [J/(kg·K)],

c_p - niezależne od temperatury ciepło właściwe materiału izolacji ogniochronnej [J/(kg·K)],

ρa - gęstość masy stali, 7850 kg [kg/m³],

ρp - gęstość masy materiału izolacji ogniochronnej [kg/m³],

dp - grubość warstwy materiału izolacji [m].

Według Z. Wanga [10] wartość φ nie powinna być większa niż 1,50, jednak takie ograniczenie nie zostało wprowadzone w normie PN-EN 1993-1-2:2007 [9]. Warto jednak go przestrzegać, szczególnie w odniesieniu do nieznanych materiałów ogniochronnych.

W odniesieniu do materiałów o niskiej zawartości wilgoci i niskiej gęstości pominięcie wpływu ciepła właściwego materiału izolacji ogniochronnej równoznacznej z przyjęciem φ = 0 prowadzi do nieznacznego przeszacowania wartości temperatury, ale w zamian znacząco upraszcza obliczenia. Wówczas Δθ_a,t wynosi:

(3)

Praktyczne zastosowanie opisanej metody przedstawiono na przykładzie słupów stalowych zabezpieczonych wełną mineralną o gęstości 150 kg/m3. Obliczenia przeprowadzono dla 3 kształtowników:

• HEB 450, A_p/V = 69 m-1, d_p = 100 mm,
• IPE 200, A_p/V = 211 m-1, d_p = 100 mm,
• HEA 200, A_p/V = 145 m-1, d_p = 20 mm.

Właściwości izolacji ogniochronnej przyjęto według TABELI 1 (λ_p = 0,20 W/(m·K), cp = 1200 J/(kg·K)), oddziaływanie jako pożar standardowy, według normy PN-EN 1991-1-2:2006 [11].

W TABELI 3 zestawiono wyniki obliczeń według metody dokładnej (wzór 1), metody uproszczonej (wzór 3) i wartości temperatury zarejestrowanych w badaniach skuteczności ogniochronnej według normy PN-EN 13381-4:2013-09 [12].

Przyjęto krok czasowy obliczeń Δt = 1 s.

W istotnym z punktu widzenia odporności ogniowej zakresie temperatur od 350°C do 700°C różnica między metodą dokładną i metodą uproszczoną wynosi od 2% do 20% oraz kolejne 5% do 15% w odniesieniu do wartości zmierzonych w badaniach. Tylko w jednym przypadku wartość temperatury stali została oszacowana jako niższa niż w badaniu, jednak w zakresie temperatur ponad 750°C.

Ocena odporności ogniowej

Dzięki wykorzystaniu oznaczonych cech materiału ogniochronnego możliwe jest określenie nośności ogniowej zabezpieczonego elementu stalowego przez porównanie wyznaczonej temperatury zabezpieczonego przekroju stalowego θ_a z jego temperaturą krytyczną θa,cr, zależną od wskaźnika wykorzystania nośności μ₀, obliczaną następująco (RYS.):

(4)

gdzie:

μ₀ - wskaźnik wykorzystania nośności.

W przypadku braku dokładnych danych o wytężeniu elementu wartości temperatury krytycznej można ją przyjmować z TABELI 4.

Podsumowanie

Ocena przydatności do stosowania opiera się na badaniach grubości, przyczepności, skuteczności izolowania oraz ogólnej ocenie stanu zabezpieczenia ogniochronnego.

Ocena tych właściwości na istniejącym obiekcie jest możliwa za pomocą istniejących metod badawczych oraz w oparciu o europejskie specyfikacje techniczne.

Racjonalne procedury i narzędzia umożliwiające ocenę przydatności zabudowanych w istniejących obiektach biernych izolacji ogniochronnych (FOT. 3) nie tylko pozwalają na bieżąco weryfikować poziom zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego danej budowli w aspekcie spełnienia kryteriów odporności ogniowej jej elementów, lecz także umożliwiają optymalizację kosztów utrzymania budynku, który zazwyczaj był projektowany na dłuższy czas, np. 50, 100 lat, niż deklarowana trwałość izolacji ogniochronnej podawana przez ich producentów w kartach technicznych (zazwyczaj wynosząca 10 lat, sporadycznie przedłużana do 25 lat).

Wymiana izolacji ogniochronnej po upływie przydatności deklarowanej w karcie technicznej jest nie tylko trudna logistycznie w użytkowanym obiekcie, gdzie często jest całkowicie zakryta przez elementy wykończenia wnętrz (np. obudowa płytami gipsowo-kartonowymi) i wiązałaby się z czasowym wyłączeniem z użytkowania poszczególnych fragmentów lub całych pomieszczeń, ale jednocześnie kosztowna, co szacunkowo przestawiono na przykładzie analizy wymiany izolacji ogniochronnej, jednokondygnacyjnej, czteronawowej hali produkcyjno-magazynowej o wymiarach 84×120×9 m, której główną konstrukcję nośną zabezpieczano do klasy odporności ogniowej R 60 (TABELA 5).

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002 poz. 690 z późn. zm.).
2. ETAG 018-1:2011, "Fire Protective products. Part 1: General".
3. ETAG 018-3:2013, "Fire protective products. Part 3: Renderings and Rendering Kits intended for Fire Resisting Applications".
4. ETAG 018-4:2012, "Fire protective products. Part 4: Fire Protective Board, Slab and Mat Products and Kits".
5. P. Brunarski, M. Łukomski, M. Wójtowicz, "Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych. Cz. C: Zabezpieczenia i izolacje. Z.2: Zabezpieczenia ogniochronne konstrukcji budowlanych", Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2014.
6. ECCS Technical Note 89, "Fire Resistance of Steel Structures [online]", Wyd. 1, ECCS, Bruksela, 1995, strona internetowa: https://www.steelconstruct.com/.
7. PN-EN 1015-12:2002, "Metody badań zapraw do murów. Część 12: Określenie przyczepności do podłoża stwardniałych zapraw na obrzutkę i do tynkowania”.
8. EGOLF AGREEMENT EA 05:1999, "Method for the measurement of bonding properties of fire protection materials applied to steel, concrete and steel/concrete composite structures".
9. PN-EN 1993-1-2:2007, "Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe".
10. Z. Wang, "Heat Transfer Analysis of Insulated Steel Members Exposed to Fire. Master thesis, School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University", Singapur 2004.
11. PN-EN 1991-1-2:2006, "Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru".
12. PN-EN 13381-4:2013-09, "Metody badań w celu ustalania wpływu zabezpieczeń na odporność ogniową elementów konstrukcyjnych. Część 4: Bierne zabezpieczenia elementów stalowych".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!