Spokojnie, nie pali się. Jak zabezpieczać przed ogniem konstrukcje stalowe budynków?

W warunkach pożaru, niezabezpieczone stalowe konstrukcje nośne w przeciągu 15-40 minut tracą połowę wytrzymałości strukturalnej. Tymczasem minimalne wymagania odporności ogniowej dla tego typu konstrukcji wynoszą 30-150 minut. Aby zapewnić optymalny poziom bezpieczeństwa pożarowego na poziomie projektu, niezbędny jest dobór izolacji o odpowiednich właściwościach ogniowych i grubości. Co należy uwzględnić, projektując izolacje konstrukcji profili stalowych?

Celem zabezpieczenia przeciwpożarowego w przypadku stalowych elementów konstrukcyjnych jest ochrona przed wysokimi temperaturami oraz bezpośrednim działaniem ognia. Zastosowanie izolacji termicznej powoduje zmniejszenie szybkości nagrzewania się elementów metalowych, a co za tym idzie – utrzymanie ich funkcji konstrukcyjnych w określonym przedziale czasowym. Kwestię izolacji przeciwpożarowej różnych rodzajów konstrukcji regulują w polskich przepisach budowlanych wymagania względem czasu odporności ogniowej. Na czas odporności ogniowej składają się różne parametry:

• R – zdolność przenoszenia obciążeń – czas, w którym konstrukcja pod obciążeniem jest zdolna wytrzymać działanie normalnie rozwijającego się pożaru.
• E – szczelność ogniowa – czas, w którym konstrukcja zachowuje swoją jednolitość (szczelność).
• I – izolacyjność ogniowa – czas, w którym zimna strona przegrody konstrukcyjnej osiągnie na swojej powierzchni temperaturę 140°C podczas normalnie rozwijającego się pożaru.

Występują różnego rodzaju klasy konstrukcyjne - R, RE, E, EI, REI. Obok nich podaje się wymaganie czasowe w minutach - 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 lub 360.

– Klasyfikacja może być zwiększana przez dodanie literki M, oznaczającej dodatkową wytrzymałość konstrukcji na działania mechaniczne lub literki C, gdy istnieją automatycznie zamykane drzwi – wyjaśnia Adam Buszko, ekspert z firmy Paroc, producenta izolacji z wełny kamiennej. – Określenie klasy REI 60-M oznacza, że konstrukcja oprócz działania na nią czynników mechanicznych powinna wytrzymać działanie obciążenia, być szczelną oraz utrzymać izolacyjność cieplną przez minimum 60 minut pożaru – dodaje.

Głównym punktem odniesienia dla technicznych obliczeń ogniowych jest tzw. standardowa krzywa ogniowa, odzwierciedlająca rozwój typowego pożaru w budynku. Metoda obliczeń często uwzględnia dodatkowy margines bezpieczeństwa, obejmując spodziewany rozwój pożaru, łącznie z fazą wygaszania. Metodą tą oblicza się czas wytrzymałości konstrukcji na ogień.

Odporność ogniowa

Szybkość nagrzewania się konstrukcji stalowej przy określonej ekspozycji na działanie ognia można w prosty przewidzieć, posługując się dwoma wielkościami fizycznymi. Tempo wzrostu temperatury w przekrojach określamy dwoma metodami – albo obliczając współczynnik masywności przekroju za pomocą stosunku ogrzewanej powierzchni do objętości, albo szacując stosunek powierzchni narażonej na działanie ognia do przekroju stalowego w danym profilu, który nazywamy wskaźnikiem masywności kształtu (F/A). Oba wskaźniki wyrażamy w jednostkach m^-1.

W obu przypadkach możemy mówić o praktycznie tych samych prawidłowościach. Profil stalowy o dużej powierzchni otrzymuje więcej ciepła, niż profil o mniejszej powierzchni, a im większa objętość profilu i im większy przekrój kształtownika stalowego, tym większe jest rozpraszanie ciepła oraz lepsza odporność ogniowa całej konstrukcji. Mały i gruby profil będzie miał zatem wolniejszy przyrost temperatury, niż profil duży i cienki, który wymaga z kolei grubszej izolacji, aby osiągnąć dane wymagania odporności ogniowej. Wysoki wskaźnik masywności kształtu (F/A) oznacza szybki wzrost temperatury stali. Zależność tę obrazuje poniższy wykres.

Dobór grubości izolacji

Przy obliczaniu wartości współczynnika masywności przekroju, używana jest pełna objętość profilu. Nie ma znaczenia fakt, czy element narażony jest na kontakt z ogniem z trzech, czy z czterech stron, ponieważ ciepło przyjmuje cały profil stalowy. Inaczej postępujemy w przypadku obliczania wskaźnika masywności kształtu (F/A), dla którego grubość materiału izolacyjnego możemy dobrać w zależności od sposobu ekspozycji na działanie ognia i zaaranżowania elementów ochrony przeciwpożarowej.

Dobierając grubość izolacji dla konkretnego elementu, możemy korzystać z uproszczonych narzędzi opartych na instrukcjach niezależnych jednostek badawczych. Metoda obliczeń opracowana przez Norweskie Laboratorium Badań Ogniowych SINTEF NBL uwzględnia fakt, że profil stalowy jest w pełni obciążony ze statycznego punku widzenia. Projektując izolację konstrukcji stalowych, warto więc wybierać rozwiązania niepalne, a przy tym jak najmniej obciążające konstrukcję. W wymagania te dobrze wpisuje się wełna kamienna.

– W przypadku systemów izolacji, takich jak PAROC FireSAFE, do czynienia mamy ze stosunkowo niską wagą samych płyt izolacyjnych PAROC FPS 17, dlatego nie ma potrzeby uwzględniania ich ciężaru w ogólnych obliczeniach obciążenia statycznego – wyjaśnia Adam Buszko. – Wełna kamienna charakteryzuje się wysoką odpornością na nasiąkliwość wodą i nie absorbuje wilgoci z otaczającej atmosfery, zwłaszcza w wariancie płyt PAROC FPS 17ta z pokryciem z welonu szklanego i aluminium. Dzięki temu izolacja zachowuje swoją wagę i właściwości przez cały okres eksploatacji budynku – dodaje ekspert Paroc.

Klasy odporności ogniowej, wymagane dla poszczególnych konstrukcji stalowych, uzyskiwane są poprzez odpowiedni dobór grubości izolacji. Grubość izolacji należy uzależniać od wskaźnika masywności kształtu zabezpieczanego elementu, a także od temperatury krytycznej stali, dla której nominalnie przyjmuje się 450°C lub 500°C. Gotowe, rekomendowane grubości izolacji w oparciu o badania SINTEF NBL, prezentuje poniższa tabela. Pełne wyniki doboru grubości izolacji są dostępne w Europejskiej Aprobacie Technicznej ETA-08/0093, wydanej dla systemu PAROC FireSAFE przez Fiński Instytut Badawczy VTT, Espoo.

Tabela: Grubość izolacji dla różnych belek, działanie ognia z 3- i 4 stron, temperatura krytyczna stali 450°C.