Poradnik inżyniera. Ochrona przeciwpożarowa konstrukcji stalowych

Projektując izolację chroniącą konstrukcje stalowe przed ogniem, należy opierać się na trzech kluczowych czynnikach: określonej w przepisach klasie odporności ogniowej, krytycznej temperaturze i współczynniku masywności kształtu oraz wykorzystanej metody ochrony. Z pomocą eksperta Paroc podpowiadamy, jak optymalnie zabezpieczyć belki nośne i kolumny.

Po pierwsze: określić wymaganą nośność ogniową

Informacje na temat okresu odporności ogniowej, jakie możemy znaleźć w lokalnych przepisach budowlanych, podawane są dla konkretnej wysokości budynku, a także jego docelowego sposobu użytkowania. Inaczej będziemy projektować zabezpieczenia przeciwpożarowe w obiekcie mieszkaniowym, a inaczej – w magazynowym. Konstruktor odpowiada za to, by z wykorzystaniem kodeksu budowlanego (np. normy ENV1993-1-2) określić odpowiednie ograniczenia lub temperaturę, której dana sekcja nie wytrzyma.

Różne materiały nośne mają różny okres odporności na działanie ognia. Materiały są zwykle testowane z wykorzystaniem standardowej krzywej ogniowej, która pokazuje rozprzestrzenianie się prawdziwego ognia. Wyniki testów na odporność ogniową wyrażane są pod względem czasu, jaki konstrukcja wytrzyma, biorąc pod uwagę jedne z trzech poniższych kryteriów: nośność (R), integralność (E) oraz izolacyjność ogniową (I). W praktyce izolacja stalowych elementów konstrukcyjnych sprowadza się jedynie do uzyskania wymaganej nośności ogniowej w czasie pożaru.

Po drugie: określić temperaturę krytyczną i współczynnik masywności kształtu

Pożary w budynkach przekraczają 1000°C zazwyczaj w relatywnie krótkim czasie – od 30 do 60 minut. W takich warunkach stal stosunkowo szybko traci swój margines bezpieczeństwa, niezależnie od jakości czy gatunku materiału. Dla tego typu elementów nośnych tradycyjnie przyjmuje się, że granica bezpieczeństwa znajduje się przy temperaturze 450°. Za tym punktem utrata wytrzymałości postępuje dość gwałtownie. W pełni obciążona belka stalowa poddana oddziaływaniu z 4 stron traci wytrzymałość przy 550°C, z trzech stron – przy 620°C.

Celem inżyniera powinno więc być utrzymanie temperatury stali poniżej temperatury krytycznej, także w warunkach oddziaływania ognia z 4 stron. Istotną wielkością przy obliczeniach będzie współczynnik masywności kształtu, który stanowi stosunek wielkości rozgrzanej powierzchni (Am) do objętości elementu (V). Współczynnik masywności kształtu jest miarą wskaźnika, przy którym przekrój rozgrzeje się od pożaru. Jak to działa w praktyce?

– Przekrój stalowy o dużej powierzchni (A) przyjmie więcej energii, niż przekrój o mniejszej powierzchni. Jednocześnie im większa objętość (V) przekroju, tym lepiej rozproszy on ciepło – wyjaśnia Adam Buszko, Szef Wsparcia Sprzedaży Izolacji Budowlanych w firmie Paroc Polska. – W efekcie zatem mały i gruby przekrój stalowy będzie zwiększał swoją temperaturę wolniej, niż element duży i cienki. Im wyższa wartość współczynnika masywności kształtu, tym grubszej izolacji będzie wymagać dany element – dodaje.

Uwaga! O ile przy obliczaniu wartości współczynnika masywności kształtu należy uwzględnić pełną objętość elementu (V) niezależnie od narażenia ogniem z trzech lub czterech stron, o tyle wielkość rozgrzanej powierzchni (Am) możemy przyjąć z uwzględnieniem tzw. efektu cienia. Efekt cienia powodowany jest miejscową ochroną przed przenikaniem ciepła z powodu kształtu profilu, np.:

• I-profil: k_cień= 0,9 [Am/V]box / [Am/V]
• □-profil: k_cień= 1
• Izolowane profile = 1 (wszystkie)

Po trzecie: określić metodę ochrony przeciwogniowej i materiał izolacji

Przy rozważaniu systemu ochrony przeciwpożarowej należy wziąć pod uwagę sposób izolacji profilu stalowego. Do dyspozycji inżynierów dostępne są różne rozwiązania. Powierzchnie profilów mogą być bezpośrednio pokryte materiałem izolacyjnym nakładanym natryskowo. Alternatywnie profil zabudowuje się specjalnym betonem izolacyjnym. Najczęściej spotykaną i najbardziej sprawdzoną metodą są jednak płyty izolacyjne, które można montować skrzynkowo, tworząc obudowę wokół przekroju, tudzież montując zgodnie z profilem – zwłaszcza, gdy charakteryzuje się on dużą wysokością.

Izolacja również przewodzi ciepło, dlatego przy projektowaniu konstrukcji stalowych pod uwagę należy brać także rodzaj i materiał izolacji. W tym miejscu warto postawić na rozwiązania o najwyższej klasie reakcji na ogień A1. Takie właściwości posiada wełna mineralna.

– Do zabezpieczania konstrukcji stalowych inżynierom szczególnie polecamy wykorzystanie płyt ognioochronnych o dużej gęstości. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa gęstość materiału, tym dłuższy czas ochrony przeciwpożarowej – podpowiada Adam Buszko. – W przypadku płyt PAROC FPS 17 udało się uzyskać gęstość na poziomie około 170kg/m³. System z tym produktem objęty jest Aprobatą ETA w zakresie ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowych­ – dodaje.

Po czwarte: dobrać odpowiednią grubość izolacji

Dobierając grubość powłok izolacyjnych, współczynnik masywności Ap/V należy przemnożyć przez wartość, jaką otrzymamy dzieląc współczynnik przewodzenia ciepła materiału (λp) przez jego grubość (dp). Wzór wygląda następująco: (Ap /V) × (λp /dp) gdzie:

Ap = wewnętrzny kontur obudowy
V = przekrój poprzeczny profilu stalowego

Alternatywnie skorzystać można z gotowych obliczeń producentów konstrukcji stalowych i izolacji przeciwogniowych. Jeżeli znana jest szczególna wartość A/V, wymaganą grubość w milimetrach płyty PAROC FPS 17 przy określonej ochronie przeciwpożarowej można odczytać z poniższej tabeli, która prezentuje dane w odniesieniu do temperatury krytycznej stali  = 450°C.