Wstępna analiza zastosowania stali o podwyższonej odporności ogniowej (FRS) w konstrukcjach stalowych bez izolacji przeciwogniowej

Ciepło powstałe podczas wystąpienia pożaru w budynku o konstrukcji stalowej powoduje, że elementy nośne ze stali narażone są na znaczną utratę wytrzymałości, prowadzącą do przekroczenia stanów granicznych nośności i użytkowalności.

Konieczne jest stosowanie odpowiednich zabezpieczeń przeciwpożarowych, które najczęściej występują w postaci okładzin z płyt kartonowo-gipsowych lub elastycznych mat zabezpieczających, farb pęczniejących bądź natryskowych tynków ogniochronnych.

Wykonanie takiego zabezpieczenia wiąże się każdorazowo ze znacznymi nakładami finansowymi związanymi z zakupem materiału i przede wszystkim z pracochłonnością oraz czasochłonnością związanych z tym robót.

Wraz ze wzrostem wymienionych kosztów oraz presją skrócenia samego procesu budowy zaczęto prowadzić badania nad możliwością uzyskania porównywalnej wytrzymałości ogniowej stalowych elementów nośnych bez zastosowania izolacji przeciwogniowej.

Najczęściej spotykanym sposobem wyeliminowania zabezpieczenia przeciwpożarowego z konstrukcji stalowej jest zmniejszenie współczynnika ekspozycji ogniowej elementu wyrażonego wzorem U/A, gdzie U jest obwodem elementu poddanego bezpośredniej ekspozycji ogniowej, A odpowiada polu powierzchni rozpatrywanego pręta [1].

Dąży się więc do ograniczenia obwodu elementu wystawionego na oddziaływanie ognia przy stałym jego polu przekroju, dzięki czemu uzyskuje się mniejsze tempo nagrzewania się elementu stalowego.

W praktyce zasada ta stosowana jest przy projektowaniu stropów zespolonych na belkach stalowych oraz słupów z wypełnieniem z betonu zbrojonego lub komórkowego. Inną znaną metodą jest zmiana gatunku stali na wyższy lub/i zwiększenie przekroju mające na celu przewymiarowanie konstrukcji. Umożliwia to zapewnienie nośności konstrukcji w sytuacji wystąpienia pożaru, którego następstwem jest spadek parametrów wytrzymałościowych stali [2].

Charakterystyka stali FRS

Za stal FRS (Fire Resistant Steel) uznać można te gatunki stali konstrukcyjnych, które w pożarze rozwiniętym odpowiednio długo zachowują wymagany poziom granicy plastyczności f_y,θ, redukowanej w temperaturze Θ, tak że zachodzi f_y,Θ = k_y,Θ · f_y, gdzie f_y jest wartością nominalną granicy plastyczności w temperaturze pokojowej.

Podstawowymi wymaganiami stawianymi stalom FRS są: zachowanie odpowiedniego poziomu granicy plastyczności w temperaturze pożarowej, spawalność porównywalna ze spawalnością stali konwencjonalnych oraz wystarczająca twardość w strefie przegrzania w obszarze spoiny. Współczynnik redukcyjny k_y,Θ ustalany jest indywidualnie według wymagań norm i przepisów krajowych.

Zgodnie z wytycznymi JIM (Japan Institute of Metals) [3] za stal FRS uznaje się stal, której wartość współczynnika redukcyjnego granicy plastyczności k_y,Θ w temp. 600°C, oznaczającego stosunek granicy plastyczności w temp. 600°C do granicy plastyczności tej samej stali w temperaturze pokojowej, jest większa niż dwie trzecie, co przedstawić można jako:

Jeśli porównać to z wytycznymi ASTM [4] (American Society of Testing Materials) - gdzie współczynnik k_y,600 ≥ 0,5 - i biorąc pod uwagę, że według normy PN-EN 1993–1-2:2007 [5] dla konwencjonalnych stali węglowych współczynnik redukcyjny k_y,600 = 0,47, to podejście japońskie wydaje się znacznie bardziej restrykcyjne.

Aby uzyskać stal o podwyższonej odporności na temperaturę pożarową, należy ustalić odpowiedni skład chemiczny i zmodyfikować skład stali konwencjonalnej przez stosowanie dodatków stopowych zawierających pierwiastki takie, jak molibden i wanad lub molibden i niob.

Wpływają one w znaczący sposób na proces umocnienia dyslokacyjnego polegającego na blokowaniu rozwoju i przemieszczania się dyslokacji, który to proces jest jednym z podstawowych mechanizmów wzmocnienia stali w temperaturze pożarowej.

Wpływ poszczególnych pierwiastków na właściwości stali FRS oraz mechanizmy wzmocnienia w zakresie temperatur pożarowych omówiono szerzej m.in. w pracy "The behaviour of structural steels at elevated temperatures and the design of fire resistant steel" [2].

Poza modyfikacją składu chemicznego, stale te poddaje się odpowiedniej obróbce termicznej, prowadzącej do uzyskania struktury bainityczno-ferrytycznej (w przeciwieństwie do stali konwencjonalnych, gdzie pożądana jest struktura ferrytyczno-perlityczna).

Próby ukierunkowane na opracowanie procedur projektowania i wykonywania stali FRS zaczęto prowadzić już w latach 70. XX w. we Francji w firmie Creusot-Loiren, a następnie kontynuowano je w Australii w firmie Broken Hill Proprietary. Znaczące wyniki na tym polu uzyskały dopiero japońskie firmy Nippon Steel, Kawasaki Steel oraz Sumitomo Metals w końcu lat 80. i na początku 90. XX w., co zaowocowało wprowadzeniem stali FRS do produkcji na skalę przemysłową.

Na RYS. 1 i RYS. 2 przedstawiono przykładowy wykres zależności modułu Younga i granicy plastyczności w zależności od temperatury dla stali konwencjonalnych (odpowiednik S355) oraz stali FRS.

Widać wyraźnie, że stal FRS wykazuje znacznie mniejszy spadek granicy plastyczności w podwyższonej temperaturze niż stal konwencjonalna oraz jej wartość w 600°C jest wyższa niż graniczna wartość dwóch trzecich granicy plastyczności w temperaturze pokojowej.

Widać również, że moduł sprężystości podłużnej w temp. 600°C spada o ok. 20-25%, a wraz ze wzrostem temp. do 700°C nie notuje się jego gwałtownego spadku. Wynika z tego, że nawet przy przekroczeniu umownej temp. 600°C nie dojdzie do gwałtownej utraty stateczności elementów konstrukcyjnych, tak jak miałoby to miejsce w przypadku zastosowania stali konwencjonalnej, gdzie w temp. 700°C spadek modułu sprężystości podłużnej wynosi już ok. 60%.

Wybrane realizacje z wykorzystaniem stali FRS

Na FOT. 1, FOT. 2 i FOT. 3 zaprezentowano realizacje z wykorzystaniem stali FRS pochodzące z Japonii, gdyż tamtejsze prawo przewiduje możliwość wykonania konstrukcji nośnej obiektu budowlanego bez dodatkowych zabezpieczeń przeciwpożarowych.

Możliwe jest to jednak dopiero po uzyskaniu dla projektu indywidualnego odstępstwa, zatwierdzonego przez ministra budownictwa Japonii na podstawie opinii Komitetu Zapobiegania Katastrofom z Japońskiego Centrum Budowlanego (Japan Construction Center).

Stale FRS bardzo często wykorzystywane były do wykonywania parkingów otwartych. Przykładami takich obiektów mogą być budynki galerii handlowych sieci "Sogo" w Chiba [3] (obecnie "Junnu Aurora Mall").

W opisanym obiekcie w Chiba cztery pierwsze kondygnacje zajmuje galeria handlowa, na parking przeznaczono natomiast 12 górnych kondygnacji.

Konstrukcję parkingu oparto na bazie sześcioboku o dł. boku 39,5 m. Konstrukcję nośną zaprojektowano w postaci ram stalowych rozmieszczonych prostopadle do zewnętrznego boku, stężonych po obwodzie skratowaniami typu "K".

Najniekorzystniejszy scenariusz pożarowy przewidywał pożar pojedynczego samochodu w bezpośrednim otoczeniu słupa newralgicznego ze względu na stateczność całej konstrukcji. Scenariusz ten wynikał z faktu, iż w strefach pożarowych z nieograniczonym dostępem powietrza nie dochodzi do rozgorzenia pożaru.

Występuje więc pożar o charakterze lokalnym, który cechuje się stosunkowo małą dynamiką wzrostu temperatury w niezabezpieczonych przeciwpożarowo elementach narażonych na bezpośrednią ekspozycję ogniową.

Przeprowadzonymi analizami dowiedziono, że temperatura na elementach nośnych nie przekroczy 600°C, co pozwoliło na zastosowanie stali FRS.

Innym przykładem wykorzystania stali FRS do wykonania konstrukcji nośnej obiektu jest hala sportowa "Gymanasium" w Tokoname w Japonii.

W obiekcie tym ze stali FRS wykonano zewnętrzne dźwigary kratowe wysokości 13,38 m i dł. 100,7 m i 50,4 m.

Aby ograniczyć temperaturę na powierzchni elementów konstrukcyjnych bez zabezpieczenia przeciwpożarowego, wysunięto je na zewnątrz wydzielonej w budynku strefy pożarowej. Płomienie wydostające się z budynku w znacznie mniejszym tempie nagrzewają dźwigar kratowy, niż miałoby to miejsce wewnątrz obiektu.

Przypadki te opisują dwa różne modele pożaru. Pożar w bezpośrednim otoczeniu dźwigara opisuje model pożaru zewnętrznego, natomiast wewnątrz budynku, gdzie występuje strefa pożarowa o ograniczonej możliwości wentylacji, mamy do czynienia z modelem pożaru parametrycznego, cechującego się dużo większą intensywnością w porównaniu z pożarem zewnętrznym.

Analizy obliczeniowe najniekorzystniejszego scenariusza pożarowego wykazały, że temperatura na powierzchni dźwigarów kratowych wyniesie 531,4°C, czyli poniżej ustalonej granicy 600°C.

Kolejnym obiektem wykorzystującym stal FRS był hotel "Sofitel" w Tokio. Budynek wysokości 110 m miał szerokość zaledwie 8 m, przez co część konstrukcji zabezpieczającej przed trzęsieniem ziemi wysunięto poza obrys budynku. Konstrukcja ta została wykonana ze stali FRS.

Dla bezpieczeństwa elementów bez zabezpieczenia przeciwpożarowego za miarodajny scenariusz pożarowy przyjęto pożar w atrium, w którym zlokalizowany był jeden ze słupów wymienionej konstrukcji. Duża kubatura atrium utrudnia rozprzestrzenianie się pożaru, co w połączeniu ze stosunkowo małym obciążeniem ogniowym (w bezpośrednim sąsiedztwie słupa zlokalizowane były kawiarnie) powoduje, że elementy konstrukcyjne wykonane ze stali FRS w potencjalnym pożarze mogłyby się rozgrzać do ok. 430°C, a więc nie doszłoby do przekroczenie wartości granicznej 600°C.

Wnioski i uwagi końcowe

Na wymienionych przykładach pokazano alternatywne podejście do wykonania konstrukcji stalowej bez zabezpieczenia przeciwpożarowego z zastosowaniem stali FRS zamiast stali konwencjonalnej.

Aby efektywnie wykorzystywać możliwości, jakie daje ten gatunek stali, należy tak kształtować konstrukcję budynku, by ramy lub słupy wysunąć przed obrys elewacji (poza wewnętrzną strefę pożarową) lub dowieść, że przy występującym w danej strefie pożarowej obciążeniu ogniowym, w potencjalnym pożarze, temperatura elementów konstrukcyjnych nie przekroczy 600°C.

Przytoczone przykłady realizacji pochodzą wyłącznie z Japonii, co wiąże się z faktem, iż tam dokonał się największy postęp w badaniach naukowych, wdrażaniu do produkcji oraz dostosowania przepisów prawa budowlanego w zakresie stosowania tego typu materiału.

Produkcja tych gatunków stali jest nadal droga, przez co jest mało konkurencyjna w stosunku do tradycyjnych stali wraz z zabezpieczeniem przeciwpożarowym. Pojawiają się jednak prace naukowe prowadzące do lepszego poznania zmian zachodzących w strukturze krystalicznej pod wpływem obróbki termicznej. Ma to na celu udoskonalenie procesów hutniczych wytwarzania stali FRS, a co za tym idzie obniżenia ich kosztów.

Zaletami zastosowania takich stali jest niewątpliwie wyeliminowanie zabezpieczenia przeciwpożarowego, co pozwala zaoszczędzić na kosztach jego zakupu, wykonania, przeglądów, konserwacji, a także zwiększa przestrzeń użytkową i instalacyjną. Jednak wysoka cena, w połączeniu z brakiem uregulowań prawnych w zakresie możliwości jego zastosowania, w większości krajów świata sprawiają, że jest to materiał mało znany i rzadko stosowany.

Literatura

1. M. Maślak, M. Łukacz, "Współczesne środki zabezpieczenia przeciwpożarowego konstrukcji stalowych", XXVII Ogólnopolskie Warsztaty Paracy Projektantów Konstrukcji, Szczyrk 2012.
2. W. Sha, B.R. Kirby, F.S. Kelly, "The behaviour of structural steels at elevated temperatures and the design of fire-resistant steel”, „Materials Transactions", vol. 42, No. 9/2001, s. 1913–1927.
3. M. Fushimi, H. Chikaraishi, K. Keira, "Development of fire­‑resistant steel frame building structures", "Nippon Steel Technical Report”, No. 66/1995, s. 29–36.
4. E119 - Standard test methods for fire tests of building construction and materials, American Society of Testing Materials (ASTM), Philadelphia 1996.
5. PN-EN 1993–1-2:2007, "Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji na warunki pożarowe”.
6. M. Blicharski, "Inżynieria materiałowa. Stal”, WNT, Warszawa 2004.
7. Y. Mizutani, K. Yoshii, R. Chijiiwa, K. Ishibashi, Y. Watanabe, Y. Yoshida, "590 MPa class fire-resistant steel for building structural use”, „Nippon Steel Technical Report”, No 90, July 2004, s. 45-52.
8. M. Maślak, R. Skiba, "Fire resistance increase of structural steel through the modification of its chemical composition", Proceedings of the 7th Scientific - Technical Conference „Material Problems in Civil Engineering" (MatBud 2015), June 22-24, 2015, Cracow, published in: Proceedia Engineering online.
9. R. Chijiiwa, Y. Yoshida, R. Uemori, H. Tamehiro, K. Funato, Y. Horii, "Development and practical applications of fire­‑resistant steels for buildings”, „Nippon Steel Technical Report", No 58/1993, s. 47-55.
10. PN-EN 1991–1-2:2006, "Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!