Beton i żelbet, obok stali, należą do najczęściej wykorzystywanych elementów konstrukcyjnych w budownictwie wielkokubaturowym. Mimo ich niezwykłej wytrzymałości mechanicznej, materiały te, jak praktycznie każdy, prędzej czy później ulegają działaniu ognia. Niniejszy artykuł przybliża zachowanie konstrukcji betonowych w warunkach pożarowych, omawia zjawisko odpryskiwania betonu, a także przedstawia prawidłowe sposoby zabezpieczania słupów, ścian nośnych oraz belek, ze szczególnym uwzględnieniem roli otuliny zbrojenia.
Funkcje Elementów Konstrukcyjnych w Warunkach Pożaru
Elementy układu konstrukcyjnego, takie jak słupy, kolumny, ściany, płyty czy belki, pełnią dwie podstawowe funkcje w kontekście bezpieczeństwa pożarowego:
- Funkcja nośna: Utrzymanie odpowiedniej nośności i stateczności budynku.
- Funkcja oddzielająca: Zapewnienie szczelności oraz izolacyjności poprzez ograniczenie penetracji płomieni i gorących substancji przez otwory konstrukcyjne, a także zatrzymanie przyrostu temperatury na powierzchniach niepoddanych bezpośredniemu działaniu ognia.
Zachowanie Konstrukcji Betonowych w Warunkach Pożaru
W konstrukcjach żelbetowych beton skutecznie otula pręty zbrojeniowe, oprócz niezbędnej nośności zapewniając określony poziom ochrony przed ogniem. Skuteczność tej ochrony zależy m.in. od kompozycji samego materiału - rodzaju wykorzystanego kruszywa czy zawartości wilgoci. Na przykład, lekki beton przy wyższych temperaturach zachowuje się lepiej niż beton o tradycyjnym kruszywie żwirowym. Materiał poddany wcześniejszemu obciążeniu jest mocniejszy niż beton zbrojony.
Właściwości Betonu pod wpływem Ognia
W warunkach pożaru beton przejawia wiele wartościowych cech: jest niepalny, nie emituje dymu i nie wytwarza niebezpiecznych, płonących kropli. Wzrostowi temperatury towarzyszy jednak szereg procesów, które wpływają na właściwości mechaniczne materiału. Ekspert firmy Paroc Polska, Adam Buszko, wymienia, że wówczas następuje wydłużenie termiczne składników betonu, parowanie wilgoci, przyrost ciśnienia w porach oraz pogorszenie właściwości mechanicznych samego betonu i stali zbrojeniowej.
Z uwagi na wysokie gradienty temperatur, gorące warstwy powierzchniowe oddzielają się od chłodniejszego wnętrza, szczególnie w złączach czy słabiej zagęszczonych obszarach betonu, wystawiając pręty zbrojeniowe na działanie ognia.
Spadek Wytrzymałości Betonu
Po przekroczeniu temperatury około 300°C następuje spadek wytrzymałości dla betonów zwykłej wytrzymałości. Przy temperaturze przekraczającej 600°C beton staje się praktycznie nieprzydatny jako materiał konstrukcyjny, gdyż jego wytrzymałość na ściskanie spada nawet o połowę. Dla porównania, przeciętny pożar w budynku trwa od kilku minut do maksymalnie kilku godzin.
Zjawisko Odpryskiwania Betonu
Największą wadą betonu w warunkach pożarowych wydaje się być zjawisko odpryskiwania (spalling). Jest to proces odspajania się kolejnych warstw betonu pod wpływem wysokiej temperatury, spowodowany parowaniem wody oraz wzrostem ciśnienia pary wodnej w porach wewnątrz betonu. Odpryskiwanie może mieć charakter stopniowy (łuszczenie się warstwa po warstwie) lub nagły, zwany też eksplozyjnym. Problem odpryskiwania był intensywnie badany po pożarach tuneli (np. w Nowym Jorku, Velser, Mont Blanc, pod kanałem La Manche), gdzie rozwój pożaru jest znacznie szybszy niż w przypadku pożarów standardowych.
Czynniki Wpływające na Odpryskiwanie
Szczegółowy opis czynników wpływających na odpryskiwanie można znaleźć m.in. w pracach Hertza (2003) oraz Liu i in. (2018). Czynniki te dzielą się na środowiskowe i materiałowe.
Intensywność Oddziaływania Pożaru
Pierwszym z czynników środowiskowych jest oddziaływanie wysokiej temperatury. Gdy beton jest nagrzewany powoli, para wodna ma czas, by w nim migrować. Jednakże, gdy oddziaływanie temperatury jest bardzo intensywne (np. w pożarach tuneli lub pożarach węglowodorowych), odpryskiwanie jest bardziej prawdopodobne z uwagi na brak odpowiednio długiego czasu na migrację wody do sąsiednich porów. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru określa się na podstawie normy PN-EN 1991-1-2, która wykorzystuje różne modele krzywych temperatura-czas (np. krzywa standardowa, krzywa węglowodorowa, krzywa pożaru zewnętrznego).
Wilgotność Względna i Przepuszczalność Betonu
Drugim czynnikiem środowiskowym jest wilgotność względna otaczającego powietrza, wpływająca bezpośrednio na zawartość wilgoci w betonie. Okazuje się, że gdy wody w betonie jest mało, ciśnienie wewnątrz porów nie będzie duże, a odpryskiwanie jest mało prawdopodobne. Według PN-EN 1992-1-2:2008 beton o wilgotności do 3% wykazuje niskie prawdopodobieństwo odpryskiwania. Problem odpryskiwania pojawia się nie tylko w przypadku betonów wysokich wytrzymałości (które Hertz odkrył jako bardziej narażone na odpryskiwanie w 1984 r.), ale też w przypadku betonów zwykłych, wystawionych na działanie warunków atmosferycznych, lub w konstrukcjach o zwiększonej wilgotności, takich jak garaże i parkingi podziemne, piwnice czy schrony.
Niska przepuszczalność jest cechą betonów wysokich wytrzymałości, co skutkuje zwiększonym prawdopodobieństwem odpryskiwania. Z drugiej strony, większa porowatość i połączone pory w betonie umożliwiają migrację wody, zmniejszając ryzyko odpryskiwania.
Metody Przeciwdziałania Odpryskiwaniu Betonu
Polska Norma PN-EN 1992-1-2:2008 podaje cztery metody przeciwdziałania odpryskiwaniu, które można kształtować w zależności od potrzeb na etapie projektowania.
Jak powstaje beton?
Zastosowanie Dodatkowych Siatek Zbrojeniowych
Siatki zbrojeniowe, znane od lat, są proponowane jako środek do zapobiegania lub przynajmniej ograniczania odpryskiwania betonu. Przyjmuje się, że głębokość odpryskiwania sięga wierzchniej warstwy zbrojenia, którą jest właśnie siatka. Zgodnie z normą, siatka powinna być wykonana z drutów o średnicy co najmniej 2 mm i stosunkowo gęstym oczku, o wymiarach 50 x 50 mm. Siatki mają na celu ograniczenie odpadania większych fragmentów betonu, a w przypadku ich odspojenia - utrzymanie ich na miejscu. Dzięki temu, mimo niespełniania już roli nośnej, beton izoluje termicznie pręty zbrojeniowe, wciąż "wisząc" na siatce.
Zastosowanie Betonu o Potwierdzonej Odporności
Metoda ta polega na użyciu betonu, dla którego eksperymentalnie potwierdzono, że w danych warunkach nie ulegnie odpryskiwaniu. Opis normowy tej metody jest jednak bardzo ogólny, a brak sposobu na ilościowe określenie, czym jest beton, który nie ulega odpryskiwaniu, utrudnia jej praktyczne zastosowanie. Sytuacja ma się poprawić dzięki pracom Komitetu Technicznego RILEM 256-SPF.
Zewnętrzne Warstwy Ochronne
Problem odpryskiwania można również rozwiązać przez użycie zewnętrznych warstw ochronnych. Przykładem mogą być płyty gipsowo-kartonowe (tzw. płyty Sacketta, opatentowane w 1894 r.) lub tynk na siatce.
Włókna Polipropylenowe w Mieszance Betonowej
Włókna polipropylenowe w betonie powodują zwiększenie przepuszczalności betonu podczas pożaru, dzięki czemu maleje ciśnienie pary wodnej wewnątrz porów. Ich efektywność w zapobieganiu odpryskiwaniu została wielokrotnie wykazana. Eurokod zaleca stosowanie włókien w ilości 2 kg/m³ betonu. Zaletą włókien jest ich niski koszt, natomiast wadą - konieczność uprzedniego zaplanowania ich obecności w mieszance betonowej. Dopiero przy wytrzymałościach na ściskanie rzędu 120 MPa konieczne staje się stosowanie tzw. włókien hybrydowych (mieszanki polipropylenowych i stalowych).
Niezawodność Zabezpieczeń Ogniowych
Istnieją przypadki, gdy elementy zabezpieczone przeciwpożarowo ulegały awarii szybciej niż elementy niezabezpieczone. Dzieje się tak, gdy warstwy zabezpieczające odpadają podczas pożaru. Nagłe zniszczenie poprzez odpryskiwanie jest możliwe, jeśli element, od którego odpadnie zabezpieczenie, jest poddany intensywnemu nagrzewaniu. Dlatego tak istotne jest zapewnienie, aby warstwy izolacji nie odpadały przez wymagany czas, co omówiono m.in. w pracach Turkowskiego i Wróblewskiego (2016).
Otulina Zbrojenia - Kluczowy Element Ochrony Przeciwpożarowej
Z tematem zbrojenia elementów żelbetowych nieodłącznie wiąże się kwestia grubości otuliny. Otulina zbrojenia to beton pomiędzy zbrojeniem a zewnętrzną krawędzią elementu z żelbetu. Powstaje podczas zalewania szalunku plastycznym betonem, choć może być również nakładana na stwardniały beton podczas renowacji. W budownictwie najczęściej stosuje się grubości otuliny z zakresu od 20 do 55 mm.
Funkcje Otuliny Zbrojenia
Otulina zbrojenia pełni trzy ważne funkcje:
- Spojenie betonu z prętem: Dzięki temu obciążenia, którym poddawany jest element żelbetowy, są przenoszone na wewnętrzne zbrojenie.
- Zabezpieczenie prętów przed korozją: Ochrona przed działaniem czynników agresywnych (np. sól morska, chlorki), które wpływają na wytrzymałość całego elementu.
- Ochrona zbrojenia przed działaniem wysokich temperatur podczas pożaru: Przegrzana stal konstrukcyjna traci swoje parametry, co w konsekwencji może prowadzić nawet do zawalenia się budynku.
Obliczanie Grubości Otuliny Zbrojenia
Grubość otuliny nie wpływa na koszty budowy domu, ale jej prawidłowe wyznaczenie jest kluczowe. Wyznacza się ją z uwzględnieniem kilku parametrów, które szczegółowo definiuje norma PN-EN 1992-1-1:2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. W praktyce obliczaniem grubości otuliny zajmują się projektanci budynków, a informacje te znajdują się już w projekcie domu.
Do wyliczenia nominalnego otulenia betonem wykorzystuje się wzór: C_nom = C_min + ΔC_dev
Gdzie:
- C_nom - nominalne otulenie zbrojenia.
- C_min - minimalna otulina zbrojenia.
- ΔC_dev - wartość dopuszczalnego odchylenia.
Wyliczenie grubości minimalnej otuliny zbrojenia (C_min) jest bardziej skomplikowane i obejmuje wzór z trzema pomniejszymi równaniami:
C_min = max [C_min,b; C_min,dur + ΔC_dur,y - ΔC_dur,st - ΔC_dur,add; 10mm]
Poszczególne zmienne oznaczają:
- C_min,b - wartość minimalnego otulenia z uwagi na przyczepność i zagęszczenie betonu. Jeśli maksymalny wymiar ziaren kruszywa nie przekracza 32 mm, to C_min,b jest równe średnicy pręta. Jeśli przekracza 32 mm, to C_min,b wynosi średnica pręta + 5 mm.
- C_min,dur - wartość minimalnego otulenia z uwagi na warunki środowiskowe, ściśle uzależniona od klasy konstrukcji i klasy ekspozycji, określonych według normy EN-10080.
- ΔC_dur,y - wzrost otulenia zbrojenia z uwagi na bezpieczeństwo.
- ΔC_dur,st - zmniejszenie otulenia przy stosowaniu stali nierdzewnej.
- ΔC_dur,add - zmniejszenie otulenia przy stosowaniu dodatkowej protekcji warstwy betonu.
Skutki Nieprawidłowej Grubości Otuliny Zbrojenia
Zarówno zbyt mała, jak i zbyt duża otulina zbrojenia niosą za sobą negatywne konsekwencje dla budynku.
- Zbyt mała otulina: Konstrukcja zostaje narażona na destrukcyjne działanie korozji, co osłabia nośność nieruchomości, obniża odporność na obciążenia i zwiększa podatność betonu na pękanie.
- Zbyt duża otulina: Osłabienie konstrukcji nieruchomości, ponieważ dodatkowa warstwa betonu jest niewłaściwie wykorzystywana przez budynek, co uniemożliwia prawidłowe przenoszenie obciążenia na pręty zbrojeniowe. Rezultatem jest zwiększona podatność na pęknięcia i uszkodzenia. Nadmierna grubość otuliny często idzie w parze ze źle dobranymi materiałami, co potęguje rozwój korozji prętów zbrojeniowych.
Wskazówki Dotyczące Prawidłowej Otuliny Zbrojenia
Aby zapewnić trwałość i bezpieczeństwo konstrukcji, należy:
- Dopasować grubość otuliny zbrojenia do klasy ekspozycji, czyli do poziomu agresywności środowiska, w którym zostanie wybudowana nieruchomość.
- Ściśle przestrzegać projektu budowlanego, ponieważ to projektant wylicza odpowiednią grubość otuliny. Wszelkie wątpliwości muszą być konsultowane.
- Zwracać uwagę na jakość materiałów i ich poziom nasiąkliwości, ponieważ źle dobrane materiały (np. cegły lub betonowe kostki) mogą doprowadzić do nieprawidłowości w otulinie zbrojenia.
Zwiększanie Nośności Ogniowej Elementów Betonowych
Aby zwiększyć nośność ogniową elementu betonowego, można wykorzystać dodatkową warstwę ochronną z tego samego materiału lub izolację przeciwogniową, stanowiącą bierny środek ochrony przeciwpożarowej.
Wełna Kamienna jako Izolacja Przeciwogniowa
Szczególnie dobrze sprawdza się wełna kamienna. Dobierając odpowiednie rozwiązanie, warto kierować się kryterium niepalności i gęstości - im wyższa, tym lepiej z punktu widzenia bezpieczeństwa ogniowego. Adam Buszko podkreśla, że materiał ten posiada wyjątkowe właściwości, dzięki którym może być stosowany do zabezpieczania konstrukcji o bardzo wysokich wymaganiach, na przykład w przemyśle stoczniowym czy w budownictwie wielkokubaturowym. Wełna kamienna PAROC nie rozszerza się ani nie kurczy pod wpływem działania ekstremalnych temperatur lub zmian wilgotnościowych, co zapobiega pęknięciom na złączach płyt, niezmiernie ważnym w kontekście izolacji przeciwpożarowej elementów konstrukcyjnych.
Większość wyrobów z wełny kamiennej posiada Euroklasę reakcji na ogień A1, co oznacza produkt niepalny. Dla tego materiału temperatura topnienia włókien wynosi powyżej 1000°C, co pozwala na dłuższą ochronę przed ogniem oraz zapobieganie rozprzestrzenianiu się płomieni w razie pożaru.
Producenci izolacji budowlanych dostarczają gotowe obliczenia grubości płyt izolacyjnych dla poszczególnych wartości wytrzymałości ogniowej konstrukcji przy standardowym narażeniu na ogień. W tym celu dokonuje się oceny izolacji zgodnie z EN 13381-3: 13.4 i EN 1363-1. Wyniki odpowiednika grubości w stosunku do grubości ochrony przeciwpożarowej i odporności ogniowej (czas testu) dla płyt i belek określa się zgodnie z EN 13381-3: Aneks C. Przykładowo, dla 30-minutowej ochrony ogniowej betonu zastosować wolno 49-milimetrową warstwę ochronną betonu, którą mierzymy od osi zbrojenia do spodniej powierzchni.
Badania Odporności Ogniowej i Praktyczne Obserwacje
Badania odporności ogniowej dostarczają cennych informacji na temat zachowania się betonu w warunkach pożaru. Obserwacje zachowania się konstrukcji po pożarze również dają pogląd na odporność ogniową.
Wyniki Badań Płyt Żelbetowych
Przeprowadzono badania odporności ogniowej dachowych płyt żebrowych o wymiarach 30,5x149x587 cm z keramzytobetonu w ITB. Zbrojenie główne płyt stanowiły pręty 8 i 10 mm ze stali żebrowanej. Otulenie zbrojenia wynosiło 30-38 mm. Płyty pracowały pod obciążeniem użytkowym 132 kg/m². Maksymalna temperatura nagrzewania płyt w komorze ogniowej wynosiła 950°C, a w zbrojeniu głównym żebra 250-450°C. Ugięcia płyt po 60 minutach trwania ognia wynosiły odpowiednio 58, 47 i 35 mm, a po 105 minutach próby 106, 68 i 60 mm. Płyty sklasyfikowano jako posiadające odporność ogniową klasy C (1 godzinę).
Wpływ Otuliny na Temperaturę w Zbrojeniu
Istotnym czynnikiem wpływającym na ognioodporność elementów zginanych jest grubość otuliny zbrojenia głównego. Badania pokazują, że przy grubości otuliny większej niż 2 cm temperatura w zbrojeniu zmienia się już asymptotycznie, co podkreśla jej kluczową rolę w ochronie stali przed przegrzewaniem.
Obserwacje po Pożarach
A. Engwall podaje informacje dotyczące konstrukcji dachu z płyt z gazobetonu „Sipcrex” o rozpiętości 4,5 m i grubości 14 cm. Po pożarze trwającym 12 godzin, kilka płyt o największych odkształceniach (10-25 mm) wzmocniono przez zastosowanie 3-4 cm warstwy betonu zbrojonego siatką. Badania wykazały, że nośność płyt nienaprawionych wynosiła 85-100% ich wytrzymałości nominalnej, natomiast płyty naprawione miały nośność dwukrotnie wyższą. Wyniki tych badań wskazują, że płyty poddane działaniu umiarkowanego ognia w większości przypadków zachowują dostateczną nośność, ale odpowiednie wzmocnienia mogą znacznie poprawić ich parametry.
Normy i Przepisy Prawne
Bezpieczeństwo pożarowe budynków i ich konstrukcji jest przedmiotem VI działu warunków technicznych, które powinny spełniać budynki. Przepisy techniczno-budowlane nakazują projektowanie i wykonywanie budynków w taki sposób, aby oddziaływania nie prowadziły do zniszczenia w stopniu nieproporcjonalnym do jego przyczyny. Niezawodność konstrukcji musi być uwzględniana nie tylko w trakcie normalnego użytkowania, ale również w aspekcie oddziaływań wyjątkowych, do których zaliczamy między innymi pożar.
Cennych wskazówek dostarczają także Wytyczne Instytutu Techniki Budowlanej nr 409/2005 „Projektowanie elementów żelbetowych i murowych z uwagi na odporność ogniową”, które zawierają tabele, na podstawie których można ustalić klasę odporności ogniowej pojedynczego elementu w zależności od poziomu obciążenia, wymiarów geometrycznych przekroju poprzecznego i otuliny zbrojenia. Zgodnie z Prawem budowlanym, obiekty budowlane należy projektować i budować zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, a jednym ze źródeł tej wiedzy jest Polska Norma PN-EN 1992-1-2:2008 (Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Reguły ogólne. Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe).
Analizę bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji należy prowadzić na scenariuszu obliczeniowym pożaru, z uwzględnieniem modeli zmian temperatury wewnątrz konstrukcji oraz mechaniki konstrukcji poddanej wysokim temperaturom. Modele obliczeniowe zachowania się konstrukcji ogarniętej pożarem zależą od rodzaju jej materiału, a dla konstrukcji betonowych, żelbetowych i sprężonych należy analizować je zgodnie z normą PN-EN 1992-1-2.