Zachowanie Konstrukcji Sprężonych w Warunkach Pożaru

Bezpieczeństwo konstrukcji budowlanych, a w szczególności elementów takich jak stropy, jest kluczowe dla użytkowania budynków. Stropy są niezastąpione - przenoszą obciążenia (posadzki, meble, ściany działowe itp.) na elementy nośne i oddzielają poszczególne kondygnacje. Wśród wielu rodzajów stropów, wyróżnić można belkowe, płytowo-żebrowe, płytowe oraz gęstożebrowe. Te ostatnie cieszą się nieustannym uznaniem.

Ochrona przed skutkami wystąpienia pożaru jest niezwykle istotna nie tylko dla ocalenia samej konstrukcji budynku, ale przede wszystkim dla zapewnienia bezpieczeństwa ludziom w nim przebywającym. Zapewnienie bezpieczeństwa konstrukcji stropowych jest niezbędne, aby użytkowanie budynków nie stanowiło zagrożenia.

Znaczenie Bezpieczeństwa Pożarowego Elementów Konstrukcyjnych

Tworzone sprężone stropy gęstożebrowe, jak i inne typy, powinny spełniać rygorystyczne normy przeciwpożarowe. Rozwiązania produkowane przez firmę RECTOR projektowane są zgodnie z normą europejską PN-EN 15037-1 oraz Eurokodami. Bardzo ważnym aspektem w kwestii zabezpieczenia przeciwpożarowego jest także odporność ogniowa konstrukcji stropowych. Sprężone stropy gęstożebrowe w systemie RECTOR wykazują odporność ogniową od REI30 do REI240. Oznacza to, że w trakcie pożaru w danym czasie (od 30 do 240 minut) użytkownicy mogą bezpiecznie opuścić budynek. Na odporność ogniową REI wpływa wiele elementów.

Właściwości Materiałowe i Projektowe Konstrukcji Sprężonych w Kontekście Ognia

O tym, że beton - w przeciwieństwie na przykład do drewna - jest materiałem niepalnym, wiedzą nawet osoby niezwiązane z budownictwem. Bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji, rozumiane jako zachowanie nośności w warunkach pożaru, ma dla stabilności całego budynku podstawowe znaczenie. Jest ono także niezwykle ważne dla przebywających w nim osób, ponieważ bardzo często tylko dzięki odporności ogniowej takich elementów konstrukcyjnych, jak stropy i schody, mieszkańcy ogarniętego pożarem domu mają możliwość szybkiej i bezpiecznej ewakuacji.

To właśnie z tego powodu we współczesnych budynkach murowanych stropy wykonuje się przeważnie z betonu, a dokładniej - z żelbetu, czyli betonu zbrojonego. Są to zarówno stropy monolityczne, jak i częściowo prefabrykowane, których wszystkie elementy wykonane są z betonu zwykłego lub lekkiego.

Beton jako ochrona zbrojenia

Konstrukcje żelbetowe swoją odporność pożarową - zdecydowanie większą niż drewniane czy stalowe - zawdzięczają przede wszystkim betonowi. On sam, będąc materiałem niepalnym, chroni stalowe pręty zbrojeniowe przed działaniem wysokiej temperatury. Żelbetowe stropy i schody mają dużą odporność ogniową tylko wtedy, gdy do przygotowania mieszanki betonowej, z której zostały wykonane, zastosowano pewny cement, wyprodukowany w cementowni. W popiołach, będących składnikiem tych mieszanek, mogą się bowiem znajdować większe lub mniejsze kawałki węgla, które w warunkach wysokiej temperatury mogą zacząć się spalać, rozsadzając strukturę betonu i obniżając jego wytrzymałość.

Porównanie belek sprężonych i stalowych

Sprężone belki gęstożebrowe montowane są w podobny sposób co np. belki stalowe, choć w wielu aspektach się od siebie różnią. Główna różnica występuje w ich nośności. Zwykła stalowa belka jest elementem konstrukcyjnym o docelowym kształcie, w związku z czym jej nośność nie ulega zmianie. Inaczej jest w przypadku sprężonych belek gęstożebrowych, gdyż na ogół zakładaną nośność uzyskują po związaniu warstwy nadbetonu układanej na budowie, co należy uwzględnić przy projektowaniu budynku.

Drugą główną różnicą jest ciężar obu belek na korzyść modelu sprężonego gęstożebrowego. Waży on ok. 15-20 kg, co oznacza masę nawet kilka razy mniejszą, niż jest to w przypadku jego stalowego odpowiednika. W związku z tym montaż belek stalowych przebiega najczęściej z udziałem dźwigu lub innego ciężkiego sprzętu. Opisywany element konstrukcyjny wykonany ze sprężonych belek gęstożebrowych charakteryzuje się dużą sztywnością oraz niewielkimi ugięciami (na poziomie L/500 gdzie L oznacza rozpiętość stropu).

Skutki oddziaływania wysokiej temperatury

Oddziaływanie wysokiej temperatury na konstrukcje budowlane może być podczas pożaru dwojakie. Może wiązać się z obniżeniem wytrzymałości i współczynnika sprężystości (np. stal) lub zmniejszeniem przekroju poprzecznego elementów. Wzrost temperatury może też w elementach konstrukcyjnych, poddanych długotrwałemu działaniu ognia, powodować zmianę sił wewnętrznych (co może skończyć się ich awarią) lub być przyczyną powstania w nich zmian o charakterze chemicznym lub ruchu wilgoci w materiałach porowatych.

Popularne jeszcze kilkadziesiąt lat temu stropy z ceglanym wypełnieniem, których elementami nośnymi były dwuteowe belki stalowe, w czasie większego pożaru - gdy temperatura przekracza 700°C - tracą wytrzymałość stali tak bardzo, że wykonane z niej belki silnie się wyginają i nie są w stanie przenieść nawet ciężaru własnego stropu. Podobnie jest ze schodami żelbetowymi, które prawie w całości zastąpiły nie tylko podatne na działanie ognia schody drewniane, ale i stalowe.

Normatywne Aspekty Bezpieczeństwa Pożarowego Konstrukcji

Bezpieczeństwo pożarowe budynków i ich konstrukcji jest przedmiotem całego VI działu warunków technicznych, które powinny spełniać budynki. Bezpieczeństwo pożarowe to stan maksymalnego ograniczenia zagrożeń od ognia i pożaru dla ludzi, ich życia, zdrowia, mienia i środowiska, uzyskany dzięki stosowaniu zasad prewencji (warunków prawa, norm i wiedzy), wykorzystaniu zabezpieczeń technicznych oraz sprawnemu systemowi ratownictwa.

Analiza bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji

Analizę bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji należy prowadzić na scenariuszu obliczeniowym pożaru przyjętym za normą z uwzględnieniem modeli zmian temperatury wewnątrz konstrukcji, a także mechaniki konstrukcji poddanej wysokim temperaturom. Modele obliczeniowe zachowania się konstrukcji ogarniętej pożarem zależne są od rodzaju jej materiału:

• konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone należy analizować wg normy PN-EN 1992-1-2.
• konstrukcje stalowe wg normy PN-EN 1993-1-2.
• zespolone konstrukcje betonowo-stalowe wg normy PN-EN 1994-1-2.
• konstrukcje drewniane wg normy PN-EN 1995-1-2.
• konstrukcje murowe wg normy PN-EN 1996-1-2.
• konstrukcje aluminiowe wg normy PN-EN 1999-1-2.

Kategorie i klasy odporności pożarowej

Poniżej przedstawiono wybrane tabele i uwagi dotyczące klasyfikacji pożarowej budynków i ich elementów zgodnie z obowiązującymi przepisami:

Kategorie pożarowe zagrożenia ludzi ZL

Zgodnie z przepisami, budynki klasyfikuje się w kategoriach zagrożenia ludzi ZL:

Klasa odporności pożarowej budynku

Klasa odporności pożarowej budynku zależy od jego wysokości (niskie N, średniowysokie SW, wysokie W, wysokościowe WW) oraz kategorii zagrożenia ludzi ZL, a także od przeznaczenia (PM - produkcyjno-magazynowe, IN - inwentarskie).

Uwagi do klasyfikacji odporności pożarowej budynków:

• Jeżeli część podziemna budynku jest zaliczona do ZL, klasę odporności pożarowej budynku ustala się, przyjmując jako liczbę jego kondygnacji lub jego wysokość odpowiednio: sumę kondygnacji lub wysokości części podziemnej i nadziemnej, przy czym do tego ustalenia nie bierze się pod uwagę tych części podziemnych budynku, które są oddzielone elementami oddzielenia przeciwpożarowego o klasie odporności ogniowej co najmniej R E I 120 (§212, ust. 5 w.t.).
• Klasa odporności pożarowej części budynku nie powinna być niższa od klasy odporności pożarowej części budynku położonej nad nią, przy czym dla części podziemnej nie powinna być ona niższa niż „C” (§212, ust. 7 w.t.).
• Wymagania dotyczące klasy odporności pożarowej budynków nie dotyczą m.in. budynków mieszkalnych jednorodzinnych do trzech kondygnacji nadziemnych, wolnostojących garaży o liczbie stanowisk postojowych nie większej niż 2, czy wolnostojących budynków gospodarczych o kubaturze brutto do 1500 m³ (§213, w.t.).
• W budynkach wyposażonych w stałe samoczynne urządzenia gaśnicze wodne, z wyjątkiem budynków ZL II oraz wielokondygnacyjnych budynków wysokich (W) i wysokościowych (WW), dopuszcza się obniżenie klasy odporności pożarowej budynku o jedną lub przyjęcie klasy „E” odporności pożarowej dla budynku jednokondygnacyjnego PM o gęstości obciążenia ogniowego przekraczającej 500 MJ/m², pod warunkiem zastosowania elementów nierozprzestrzeniających ognia i samoczynnych urządzeń oddymiających.

Klasa odporności ogniowej elementów budynku

Klasa odporności ogniowej elementów budynku określa zdolność do spełniania wymaganych funkcji nośnych (R), szczelności (E) i izolacyjności (I) w warunkach pożaru przez określony czas. Przykładowe wymagania:

Uwagi do klasyfikacji odporności ogniowej elementów budynków:

• W przepisach określenie „przekrycie dachu” używane jest w specyficznym „pożarowym” sensie, odmiennym od stosowanego w branży konstrukcji budowlanych. W niniejszym artykule używamy znaczenia pożarowego „przekrycia dachu”, ale projektanci konstrukcji powinni zwracać uwagę na różnicę znaczeń w celu uniknięcia pomyłek.
• Wymagania odporności ogniowej mogą się różnić w zależności od lokalnych norm (np. SANS 10400 w Afryce Południowej). Projektanci powinni ostrożnie dobierać odporność ogniową, zwłaszcza w odniesieniu do pomieszczeń magazynowych, które często są niedokładnie klasyfikowane.

Ściany oddzielenia pożarowego

Ściany i stropy stanowiące elementy oddzielenia przeciwpożarowego powinny być wykonane z materiałów niepalnych, a występujące w nich otwory - obudowane przedsionkami przeciwpożarowymi lub zamykane za pomocą drzwi przeciwpożarowych bądź innego zamknięcia przeciwpożarowego. Łączna powierzchnia otworów w ścianie oddzielenia przeciwpożarowego nie powinna przekraczać 15% powierzchni ściany, a w stropie oddzielenia przeciwpożarowego - 0,5% powierzchni stropu.

Scenariusze Pożarowe i Obciążenia Termiczne

Do analizy bezpieczeństwa konstrukcji podczas pożaru stosuje się nominalne krzywe zależności temperatury od czasu, które są zdefiniowane w normach. Nie oddają one przebiegu rzeczywistego pożaru i nie należy na ich podstawie prognozować rozwoju pożaru w realnych warunkach.

Krzywe pożaru temperatura - czas

Standardowe krzywe zależności temperatury od czasu podczas pożaru to: krzywa standardowa, krzywa węglowodorowa i krzywa pożaru zewnętrznego.

Nominalne krzywe zależności temperatury od czasu zdefiniowano w następujący sposób:

1. Standardowa krzywa zależności temperatury od czasu (pożar standardowy ISO):

   $$ \Theta_g= 20+ 10 \cdot t + 345 \cdot log ( 8 \cdot t+1) $$

2. Krzywa pożaru zewnętrznego:

   $$ \Theta_g= 20 +660 \cdot \left (1+ 0,678 \cdot e^{-0,32 t}- 0,313 \cdot e^{-3,8 t} \right) $$

3. Krzywa pożaru węglowodorowego:

   $$ \Theta_g= 20 +1080 \cdot \left (1- 0,678 \cdot e^{-0,167 t}- 0,675 \cdot e^{-2,5 t} \right) $$

gdzie: $\Theta_g$ - temperatura gazu w strefie pożarowej [°C], t - czas pożaru [min].

Indeks rozwoju pożaru RHR - czas

Krzywa rozwoju pożaru została wprowadzona przez National Fire Service College (NFSC) jako funkcja indeksu rozwoju pożaru RHR (Rate of Heat Release) w funkcji czasu.

Praktyczne wyrażenie na szybkość rozwoju pożaru RHR [MW] stosuje się w postaci:

$$ RHR = A_{fi} \cdot RHR_f $$

gdzie: $A_{fi}$ - powierzchnia strefy pożarowej, $RHR_f$ - gęstość szybkości rozwoju pożaru na jednostkę powierzchni podłogi budynku o określonej funkcji, przyjmowana jak niżej:

$$ RHR_f [ kW/m^2] = \begin {cases} 1600 & \text{ palety drewniane układane w stosy o wysokości 0,5 m}\\ 6000 & \text{ palety drewniane układane w stosy o wysokości 3 m}\\ 4320 & \text{ butelki plastikowe w kartonach, ułożone na 4,6 m}\\ 2900 & \text{płyt izolacyjnych PS, pianka sztywna, układanych po 4,3 m}\\ 500 & \text{ tetry, kina, biblioteki}\\ 250 & \text{ biura, mieszkania, centra handlowe, transport},\\ & \text{ przestrzenie publiczne, sale lekcyjne szpitalne, hotelowe i szkolne}\\ \end {cases} $$

Indeks szybkości rozprzestrzeniania się pożaru można też wyznaczyć z definicji $RHR= ( t/t_\alpha)^2$ na podstawie oszacowań stałej $t_\alpha$. Podział pożarów z warunku szybkości rozwoju:

Indeks rozwoju pożaru RHR można też oszacować z wyrażenia całkowego $\int RHR dt= A_{fi}\cdot q_f$, skąd przy założeniu stałej szybkości RHR podczas pożaru, mamy oszacowania:

$$ RHR \approx \cfrac{A_{fi} \cdot q_t}{t_{fi,end}} $$

gdzie: $q_f$ gęstość obciążenia ogniowego, $t_{fi,end}$ całkowity czas pożaru.

Redukcja obciążenia ogniowego

Współczynnik redukcji obciążenia ogniowego $\eta_{fi}$ działającego w kombinacji z innymi obciążeniami budowli zależy od stosunku wiodącego obciążenia zmiennego do obciążenia stałego $Q_{k,1}/G_k$ oraz natury obciążenia wiodącego (np. śniegu, obciążenia użytkowego w mieszkaniach/biurach, itp.).

Studium Przypadku: Pożar w Kompostowni a Dźwigar Strunobetonowy

W jednym z budynków kompostowni doszło do pożaru, który wybuchł w górnej części maszyny technologicznej, ustawionej nad kanałem kompostowym. W wyniku pożaru odparzeniu uległa wyprawa ochronna dolnej stopki jednego z dźwigarów strunobetonowych.

Opis zdarzenia i analizy uszkodzeń

Objęty opracowaniem budynek zrealizowany został jako hala czteronawowa, o rozpiętościach w osiach konstrukcyjnych 4 × 24,00 m = 96,00 m i długości 96,00 m. Konstrukcja hali zaprojektowana i wykonana została jako żelbetowa, prefabrykowana. Słupy konstrukcyjne zrealizowano jako żelbetowe, prefabrykowane o wymiarach w przekroju poprzecznym 50 × 50 cm, 30 × 50 cm, 40 × 60 cm oraz 30 × 40 cm. Na słupach oparto dwuspadowe, żelbetowe, prefabrykowane, strunobetonowe dźwigary dachowe o rozpiętości 24,00 m, na których oparto żelbetowe, prefabrykowane, strunobetonowe płatwie o prostokątnym przekroju poprzecznym i rozpiętości 12,00 m.

W wyniku pożaru odparzeniu uległa wyprawa ochronna dolnej stopki dźwigara strunobetonowego (symbol technologiczny: B20) o rozpiętości 24 m, usytuowanego w osi 5, pomiędzy osiami A-E. Ponadto odbarwieniu (wypaleniu) uległy zabrudzenia blachy trapezowej stanowiącej element nośny przekrycia budynku kompostowni. Uszkodzenie wyprawy powstało wzdłuż dolnej stopki dźwigara strunobetonowego B20, a szerokość uszkodzenia wyprawy ochronnej wynosiła ok. 200 cm.

Podczas przeprowadzonych wizji lokalnych stwierdzono, że odbarwieniu (wypaleniu) uległy zabrudzenia blachy trapezowej T160, z której wykonano przekrycie budynku kompostowni. Odbarwienia widoczne były wzdłuż osi 5, w kierunku osi 6, a ich szacunkowa powierzchnia wynosiła 150 × 200 cm. Na powierzchni membrany dachowej PCV brak było widocznych śladów zmian termicznych. Nie zaobserwowano rozszczelnienia styków poszczególnych arkuszy membrany dachowej bezpośrednio nad miejscem odpowiadającym pojawieniu się zarzewia ognia.

Ocena stanu technicznego dźwigara

Zgodnie z uzyskanymi informacjami ustnymi, czas pożaru, w zakresie jego tzw. fazy rozwiniętej, charakteryzującej się pojawieniem się tzw. języków ognia, wynosił mniej więcej 40 minut. Wysokość języków ognia wynosiła ok. 100 cm, czyli znajdowała się 30-40 cm poniżej dolnej stopki dźwigara strunobetonowego.

Niezależnie od przyjętego scenariusza pożarowego obciążenie temperaturowe wprowadza zaburzenie struktury materiału (stali), powodując spadek wytrzymałości elementów. Jednak ze względu na grubość środnika wynoszącą 80 mm, zgodnie z wymaganiami norm, dźwigar strunobetonowy można było zaliczyć do elementów o klasie odporności ogniowej R30. Ponieważ ustalono, że czas trwania pożaru rozgrzanego wynosił ok. 40 minut (co przekracza R30), sformułowano tezę, że obciążenie ogniem nie spowodowało utraty nośności elementu strunobetonowego, choć konieczne były działania naprawcze wyprawy ochronnej.

Znaczenie Prawidłowego Projektowania, Montażu i Eksploatacji

Błędy projektowe oraz wykonawcze wpływają bezpośrednio na bezpieczeństwo konstrukcji i bezpieczeństwo użytkowania obiektów budowlanych. Doświadczenia z realizacji inżynierskich potwierdzają jednoznacznie, że rzetelność opracowanej dokumentacji projektowej ma kolosalny wpływ zarówno na szybkość realizacji robót budowlanych, jak również na późniejszą usterkowość obiektów w okresie eksploatacji.

Nie mniej jednak sam sposób użytkowania obiektu bardzo często jest przyczyną powstawania stanów przedawaryjnych, awarii lub wręcz doprowadza do wystąpienia katastrofy budowlanej.

Rola systematycznych przeglądów technicznych

Zabezpieczenia przeciwpożarowe oraz prawidłowy montaż konstrukcji stropowych to ważne aspekty zapewniające bezpieczeństwo użytkowania budynków. Nie można jednak zapominać o systematycznych przeglądach technicznych stropów. Mimo że ten element konstrukcyjny obiektu jest ukryty (może być otynkowany, obudowany sufitami podwieszanymi czy też znajdować się pod warstwami podłogi), to nie należy lekceważyć jego regularnych oględzin.

Najczęściej przegląd techniczny stropów polega na obserwacji powierzchni tynków w celu dojrzenia oznak spękania, co mogłoby świadczyć o jego pracy. Ponadto wykonuje się również pomiary ugięcia stropu. Systematycznie wykonywane pomiary przez wiele lat dają realną wiedzę na temat tego, czy następuje zwiększenie ugięcia i czy jest ono zgodne z założeniami projektowymi. Warto przy tym pamiętać, że ugięcie stropu jest procesem w pełni naturalnym i akceptowalnym. Wykonując przegląd techniczny konstrukcji stropowych, zwraca się również uwagę na występowanie wszelkich przecieków. Należy mieć na uwadze, że stropy wykonane z różnych materiałów cechują się również inną specyfikacją techniczną.

Już na etapie projektowania każdego budynku, mając wiedzę na temat przeznaczenia pomieszczeń, dobiera się odpowiednią nośność stropów.

tags: #pozar #konstrukcja #sprezona