Izolacyjność termiczna przegród z betonu w warunkach pożarowych

W warunkach zwykłego użytkowania odpowiedni poziom izolacyjności termicznej przegród (ścian zewnętrznych i wewnętrznych, stropów i stropodachów) zapewnia wymagany komfort cieplny w pomieszczeniach. Podstawowym parametrem opisującym izolacyjność cieplną przegród jest wtedy współczynnik przenikania ciepła U.

Wymagania odnośnie współczynnika U podane są w rozporządzeniu ministra transportu, budownictwa i gospodarki wodnej z 5 lipca 2013 r. [1], które w zakresie wymagań izolacyjności cieplnej i innych związanych z oszczędzaniem energii zmienia zapisy rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2].

Wartość U nie powinna przekraczać maksymalnych dopuszczalnych wartości U_maks., określonych w rozporządzeniu w zależności od typu obiektu (budynki mieszkalne i zamieszkania zbiorowego; budynki użyteczności publicznej; budynki produkcyjne, magazynowe i gospodarcze), rodzaju przegrody i temperatury w pomieszczeniu.

Zasady obliczania wartości współczynnika przenikania ciepła U  ścian, stropów i stropodachów określono w normie PN-EN ISO 6949:1999 [3] jako funkcję jednostkowych oporów przejmowania ciepła (ustalanych w zależności od kierunku strumienia ciepła) oraz jednostkowego oporu przewodzenia ciepła przez przegrodę. Opór przewodzenia ciepła przez przegrodę oblicza się jako:

d/λ [(m²·K)/W]

gdzie:

d – grubość przegrody lub warstwy,

λ – obliczeniowa wartość przewodzenia ciepła materiału przegrody.

W warunkach pożaru następują gwałtowne przyrosty temperatury w czasie i zmiany wartości liczbowych podstawowych fizycznych, termicznych i mechanicznych parametrów materiałowych przegrody, a także różnego typu uszkodzenia lub deformacje elementów spowodowane działaniem wysokiej temperatury.

Dlatego nie można przeprowadzić analizy izolacyjności termicznej w taki sposób, jak w odniesieniu do warunków zwykłego użytkowania.

W artykule zostanie opisany wpływ temperatury pożarowej na wartość współczynnika przewodzenia ciepła betonu oraz scharakteryzowane zostanie znaczenie tego parametru w analizie termicznej konstrukcji, stanowiącej niezbędny element analizy konstrukcji w warunkach pożarowych.

Kryterium izolacyjności w odniesieniu do warunków pożarowych

Elementy układu konstrukcyjnego (płyty stropowe, ściany) spełniają w budynkach podczas pożaru dwie podstawowe funkcje: nośną i separacyjną (oddzielającą).

Spełnienie pierwszej funkcji zapewnia zachowanie nośności i stateczności budynku, drugiej – szczelności (ograniczenie penetracji płomieni i gorących gazów przez rysy i otwory) oraz izolacyjności termicznej (ograniczenie przyrostu temperatury na powierzchniach bezpośrednio niepoddanych działaniu ognia).

Podstawowym parametrem charakteryzującym element konstrukcyjny w sytuacji pożaru jest jego odporność ogniowa, rozumiana jako zdolność do pełnienia wymaganej funkcji przez określony czas wyrażony w minutach (30, 60,..., 240 min).

W takim ujęciu izolacyjność stanowi tylko jedną ze składowych kompletnej oceny odporności ogniowej konstrukcji, ale w przypadku przegród (ścian i stropów/stropodachów) jest to element o znaczeniu podstawowym.

Szczegółowe scenariusze pożarowe, opisujące przebiegi zmian temperatury w czasie w poszczególnych punktach konstrukcji, mogą być przyjmowane na podstawie normy PN-EN 1991­‑1­‑2:2006 [4] jako pożary nominalne/standardowe (zwykle określające temperaturę jedynie w funkcji czasu trwania oddziaływania pożarowego) lub parametryczne (uwzględniające również takie czynniki, jak: geometria i ogólne warunki wentylacji pomieszczenia, właściwości termiczne materiałów ograniczających, ilość i rodzaj materiałów palnych w pomieszczeniu).

Przy działaniu standardowego/nominalnego pożaru elementy konstrukcyjne powinny zgodnie z normą PN-EN 1992­‑1­‑2:2008 [5] spełniać następujące kryteria z uwagi na wymagania dotyczące nośności (R), szczelności (E) i izolacyjności (J):

• tylko kryterium separacji – wymóg E i J,
• tylko kryterium nośności – wymóg R,
• kryterium nośności i separacji – wymóg R, E i J.

Kryterium izolacyjności (J) można wtedy uznać za spełnione, gdy średni przyrost temperatury w stosunku do powierzchni niepoddanej bezpośrednio działaniu ognia nie przekracza 140 K oraz gdy maksymalny przyrost temperatury w dowolnym punkcie na tej powierzchni nie przekracza 180 K.

Dla pożaru parametrycznego funkcja nośności jest spełniona, gdy nie nastąpi zniszczenie konstrukcji w całym okresie trwania pożaru lub w trakcie wymaganego czasu. Funkcja separacyjna w odniesieniu do izolacji jest zachowana, gdy:

• średni przyrost temperatury w stosunku do powierzchni niepoddanej bezpośrednio działaniu ognia nie przekracza 140 K oraz gdy maksymalny przyrost temperatury na powierzchni nie przekracza 180 K w chwili, gdy temperatura gazu osiąga wartość maksymalną;
• średni przyrost temperatury w stosunku do powierzchni niepoddanej działaniu ognia nie przekracza 200 K oraz gdy maksymalny przyrost temperatury w dowolnym punkcie na powierzchni nie przekracza 220 K w fazie chłodzenia lub w wymaganym okresie.

W ogólnym ujęciu do weryfikacji funkcji separacyjnej przegród niezbędna jest zatem znajomość rozkładu temperatury w funkcji czasu trwania oddziaływania pożarowego.

Weryfikacja odporności ogniowej przegród z betonu

Szczegółowe zalecenia w odniesieniu do funkcji nośnej i/lub separacyjnej elementów budynku zostały sformułowane w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2]. Podstawowe wymagania odnośnie klas odporności ogniowej elementów budynku według tych przepisów zestawiono w TABELI 1.

Klasy odporności pożarowej budynku (A–E) określa się w zależności od wysokości budynku (N – niski, SW – średniowysoki, W – wysoki, WW – wysokościowy) oraz kategorii zagrożenia ludzi (ZL I–ZL V), zgodnie z postanowieniami Działu VI: „Bezpieczeństwo pożarowe” rozporządzenia [2].

Obecnie weryfikacji warunków odporności ogniowej konstrukcji z betonu dokonuje się na podstawie metod zamieszczonych w normie PN-EN 1992-1-2:2008 [5]. W przypadku przegród z betonu (ścian, stropów, stropodachów) powszechne zastosowanie znajdują uproszczone metody opisowe, określające minimalną grubość elementu i minimalną odległość osi zbrojenia od zewnętrznej powierzchni elementu.

Tak sformułowane warunki obowiązują przy sprawdzaniu odporności ogniowej elementów przy oddziaływaniu pożaru standardowego (według krzywej ISO 834) w czasie działania do 240 min. Podane wymagania obowiązują w odniesieniu do betonu zwykłego (2000–2600 kg/m³), wykonanego na bazie kruszywa krzemianowego.

W przypadku stosowania kruszywa wapiennego lub lekkiego dla płyt stropowych można zredukować o 10% podane w tabelach normowych minimalne wymiary przekroju (grubości).

Ściany

Ściany działowe

W przypadku gdy dla ściany nie jest wymagana odporność ogniowa z uwagi na nośność, a sformułowane są tylko wymagania odnośnie izolacyjności i szczelności (EJ), minimalną grubość takiego elementu w funkcji odporności ogniowej przyjmuje się według danych zawartych w TABELI 2.

W celu uniknięcia nadmiernych odkształceń termicznych i w konsekwencji utraty szczelności pomiędzy ścianą a płytą zaleca się dodatkowo, aby stosunek wysokości ściany w świetle do jej grubości nie przekraczał 40.

Ściany nośne

Wymagania dotyczące minimalnych wymiarów niezbędnych do zapewnienia odpowiedniej odporności ogniowej REJ ścian nośnych podano w TABELI 3. Przy określaniu wymagań konstrukcyjnych odnośnie wymiarów geometrycznych uwzględniono dwie wartości współczynnika redukcyjnego obciążenia obliczeniowego w sytuacji pożaru (μfi) oraz dwa możliwe przypadki usytuowania ognia względem ściany.

Ściany ogniowe

Minimalna grubość ścian ogniowych wykonanych z betonu zwykłego nie powinna być mniejsza niż:

• 200 mm – ściany betonowe,
• 140 mm – ściany żelbetowe nośne,
• 120 mm – ściany żelbetowy nienośny.

Odległość osi zbrojenia od krawędzi przekroju dla ścian żelbetowych nośnych powinna wynosić co najmniej 25 mm.

Płyty

Minimalna grubość płyty (h) (TABELE 4, 5) zapewnia spełnienie kryterium separacyjnego, czyli warunków szczelności (E) oraz izolacyjności (J). Można przyjmować, że warstwy wykończeniowe płyt współdziałają w spełnianiu tych kryteriów proporcjonalnie do ich grubości, pod warunkiem że są niepalne. W układzie warstw jak na RYS. 1–2 minimalna grubość płyty przyjmowana jest do weryfikacji funkcji separacyjnej jako (h1 + h2).

Płyty wolno podparte – zbrojone jedno- i dwukierunkowo

Minimalne wymagania dotyczące płyt wolno podpartych podano w TABELI 4.

W wypadku płyt krzyżowo zbrojonych odległość osi zbrojenia jest odmierzana do osi zbrojenia niższego. Wartości w TABELI 4 dotyczą płyt krzyżowo zbrojonych opartych na 4 krawędziach – w innych przypadkach należy przyjmować wartości jak dla płyt jednokierunkowo zbrojonych. W przypadku płyt ciągłych można przyjmować wymagania również według TABELI 4, traktując wtedy każde przęsło płyty ciągłej jak płytę wolno podpartą.

Płyty w układach płytowo-słupowych

W wypadku płyt w układach płytowo-słupowych, dla których redystrybucja momentów przy projektowaniu w normalnych warunkach temperatury według normy PN-EN 1992-1-1:2008 [6] nie przekracza 15%, obowiązują wymagania zamieszczone w TABELI 5.

W przeciwnym razie należy przyjmować odległość osi zbrojenia według TABELI 4 w odniesieniu do płyt jednokierunkowo zbrojonych jednoprzęsłowych, zaś minimalną grubość płyty – zgodnie z TABELĄ 5.

Współczynnik przewodzenia ciepła betonu w warunkach pożarowych

Przewodnictwo cieplne to miara zdolności materiału do przewodzenia ciepła, zdefiniowana jako stosunek strumienia ciepła do gradientu temperatury.

Współczynnik przewodzenia ciepła betonu w warunkach zwykłej temperatury (λ_c) zależy ogólnie od składu mieszanki betonowej, ale w najważniejszym stopniu od rodzaju kruszywa, które stanowi zwykle 60–80% objętości betonu (przykładowo: w wypadku betonów na kruszywie barytowym λ_c wynosi 1,38 W/(m·K), natomiast w wypadku betonów na kruszywie dolomitowym – 3,68 W/(m·K)) [7].

Kolejnym istotnym czynnikiem jest zawartość wilgoci, gdyż przewodnictwo cieplne wody, chociaż niskie, jest wyższe niż powietrza. W TABELI 6 zestawiono wartości współczynnika przewodzenia ciepła w warunkach zwykłej temperatury w odniesieniu do wybranych materiałów i składników betonu według publikacji „Fire design of concrete structures – materials, structures and modeling” [8].

W zwykłych warunkach użytkowania wpływ podwyższonej temperatury na wartość współczynnika przewodzenia ciepła betonu jest nieistotny. Jednakże w temperaturach pożarowych parametr ten ulega znaczącym zmianom z uwagi na fizykochemiczne zmiany zachodzące w strukturze materiału pod wpływem szybkiego ogrzewania i zjawisk z nim związanych.

Obliczenia konstrukcji z betonu w warunkach pożarowych obejmują analizę termiczną, czyli określenie rozkładu temperatury w poszczególnych punktach konstrukcji w odniesieniu do założonego scenariusza pożarowego.

Taka analiza jest niezbędnym elementem w procedurze weryfikacji funkcji nośnej, natomiast dla funkcji separacyjnej (szczelność i izolacyjność) elementów jest rozstrzygająca. Podstawę analizy termicznej stanowią odpowiednio przyjęte wartości parametrów fizycznych i termicznych betonu, które są zależne od temperatury.

Podstawowymi parametrami wykorzystywanymi do analizy termicznej są współczynnik przewodzenia ciepła betonu (λc) oraz objętościowe ciepło właściwe (ρ_c × c_p), a rozkładu temperatury dokonuje się w ogólnym przypadku przy zastosowaniu równania Fouriera-Kirchhoffa, opisującego przepływ ciepła w ciałach stałych.

Bezpośredni pomiar przewodzenia ciepła w warunkach pożarowych jest zadaniem złożonym z powodu interakcji pomiędzy wilgotnością i przepływem ciepła, a uzyskane wyniki zależą od zastosowanej metody pomiaru i mogą się różnić w zależności od laboratorium [8]. Dlatego należy podchodzić z uwagą i ostrożnością do kwestii ustalania wartości liczbowych tego parametru.

Według normy PN-EN 1992-1-2:2008 [5] wartość współczynnika przewodzenia ciepła betonu λc w odniesieniu do zakresu temperatur 20 ≤ θc ≤ 1200°C można przyjmować pomiędzy górną a dolną wartością graniczną, które definiowane są w sposób następujący:

• górna wartość graniczna:
  

• dolna wartość graniczna:
  

Na RYS. 3 przedstawiono graficzną interpretację równań (1) i (2). Wartość współczynnika przewodzenia ciepła betonu maleje wraz ze wzrostem temperatury w całym zakresie temperatur i osiąga w przedziale temperatur 500–600°C poziom ok. 50% wartości początkowych (określonych w standardowej temperaturze +20°C).

Należy podkreślić, że redukcja wartości liczbowej współczynnika przewodzenia ciepła betonu jest zjawiskiem korzystnym dla zachowania elementów i konstrukcji z betonu w warunkach podwyższonej temperatury pożarowej.

W efekcie w sytuacji pożaru wraz z czasem maleje tempo nagrzewania, w szczególności wnętrza elementu, choć oczywiście niezależnie od tego pozytywnego czynnika następuje degradacja mechanicznych cech materiałowych betonu, rozwijają się odkształcenia termiczne i może dochodzić do różnego typu uszkodzeń betonu (rys, pęknięć, odprysków, odpadania otuliny betonowej).

Podsumowanie

Podstawowym parametrem materiałowym betonu do oceny poziomu izolacyjności termicznej przegrody w warunkach zwykłego użytkowania budynków jest współczynnik przewodzenia ciepła λ_c, na podstawie którego dokonuje się weryfikacji warunku sformułowanego w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1, 2] oraz w normie PN-EN ISO 6949:1999 [3] w odniesieniu do współczynnika przenikania ciepła U.

Inaczej formułowane jest wymaganie dotyczące izolacyjności termicznej w warunkach oddziaływania pożarowego, które wraz z wymaganiem szczelności zapewnić ma przede wszystkim ograniczenie przyrostu temperatury na powierzchniach bezpośrednio niepoddanych działaniu ognia oraz penetracji płomieni i gorących gazów przez rysy czy otwory.

W takim ujęciu izolacyjność stanowi tylko jedną ze składowych kompletnej oceny odporności ogniowej konstrukcji, ale w przypadku przegród (ścian i stropów/stropodachów) jest to element o znaczeniu podstawowym.

Weryfikacji funkcji separacyjnej przegród z betonu (ścian, stropów/stropodachów) dokonuje się w praktyce z wykorzystaniem metod opisowych/uproszczonych podanych w normie PN-EN 1992-1-2:2008 [5], przy czym odpowiednie wymagania odporności ogniowej dotyczące konkretnych elementów ustala się na podstawie rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [2].

W zwykłych warunkach użytkowania wpływ podwyższonej temperatury na wartość współczynnika przewodzenia ciepła betonu λ_c jest nieistotny. Jednakże w temperaturach pożarowych parametr ten ulega znaczącym zmianom. Szczegółowe przebiegi zmian wartości współczynnika przewodzenia ciepła betonu w funkcji temperatury można przyjmować według zależności zamieszczonych w normie PN-EN 1992-1-2:2008 [5].

Obliczenia konstrukcji z betonu w warunkach pożarowych obejmują analizę termiczną, czyli określenie rozkładu temperatury w poszczególnych punktach konstrukcji w odniesieniu do założonego scenariusza pożarowego.

Taka analiza jest rozstrzygająca w odniesieniu do funkcji separacyjnej przegrody z betonu (szczelności i izolacyjności), gdyż pozwala zweryfikować graniczne średnie i maksymalne wartości temperatury na powierzchni nienagrzewanej zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 1992-1-2:2008 [5] w odniesieniu do różnych scenariuszy pożarowych (nominalnych/standardowych lub parametrycznych określonych według normy PN-EN 1991­‑1­‑2:2006 [4]).

Podstawę analizy termicznej stanowią odpowiednio przyjęte wartości parametrów fizycznych i termicznych betonu – w tym współczynnik przewodzenia ciepła λ_c – które są zależne od temperatury.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Wodnej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r. poz. 926).
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690, ze zm.).
3. PN-EN ISO 6949:1999, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczeniowa”.
4. PN-EN 1991-1-2:2006, „Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne, Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru”.
5. PN-EN 1992-1-2:2008, „Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-2: Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe”.
6. PN-EN 1992-1-1, „Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków”.
7. A. Neville, „Właściwości betonu”, Polski Cement, Kraków 2000.
8. Fib. Bulletin 38, „Fire design of concrete structures – materials, structures and modeling”, FIB state-of-art report prepared by Working Party 4.3-1, Laussane 2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!