Diagnostyka przeciwpożarowa budynków

Ocena w zakresie bezpieczeństwa pożarowego budynków dotyczy wielu aspektów, wynikających z wymagania podstawowego [1], które narzuca, by obiekty budowlane w przypadku zagrożenia pożarem zachowały nośność przez określony w przepisach czas [2], ograniczały rozprzestrzenianie się dymu i ognia w obiekcie, uniemożliwiały jego rozprzestrzenianie na sąsiednie budynki i pozwalały na ewakuację oraz prowadzenie akcji ratowniczej.

Nieprzypadkowo jako pierwszą wymieniono nośność, co nierozerwalnie wiąże się ze spełnieniem kryteriów odporności ogniowej. Niespełnienie kryterium nośności oznaczałoby zawalenie się fragmentu lub całego obiektu, utrudniło lub uniemożliwiło ewakuację i rozprzestrzeniło ogień.

Podczas normalnego użytkowania budynków nie da się ocenić, czy dany element posiada deklarowane cechy ogniowe czy nie. Bardzo trudno określić, jaką odporność ogniową mają np. drzwi przeciwpożarowe [3] bez ich zbadania/spalenia (FOT. 1-2). Podobnie jest z większością złożonych układów, tj. świetlikami, bramami, elementami warstwowymi, kablami itp.

Jedynie w niektórych przypadkach można powiedzieć o materiale, że jest niepalny, np. na podstawie wykazu zawartego w decyzjach Komisji Europejskiej publikowanych w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej [4].

Podobnie jest z odpornością ogniową, którą w wybranych przypadkach, dzięki eurokodom można szacować obliczeniowo, np. w przypadku prostych elementów drewnianych [5], betonowych [6] czy stalowych [7], i to nie zawsze tak, jak pokazują doświadczenia badawcze.

W artykule ograniczono się do zaprezentowania kilku charakterystycznych elementów oceny bezpieczeństwa pożarowego elementów budowlanych, z pominięciem czynnych zabezpieczeń przeciwpożarowych (czujków, tryskaczy, DSO itp.).

Elementy konstrukcyjne

Diagnostykę przeciwpożarową budynków stosunkowo najłatwiej przeprowadzić dla podstawowych elementów konstrukcyjnych. Z podstawowych materiałów konstrukcyjnych, jak beton, stal, ceramika, silikaty, drewno, tylko drewno jest materiałem palnym i zazwyczaj w badaniach reakcji na ogień uzyskuje klasę D. Po odpowiednim zaimpregnowaniu środkami uniepalniającymi możliwe jest uzyskanie klasy B.

Pozostałe wymienione materiały są materiałami niepalnymi, klasy A1. Przy czym, jeżeli w betonie występuje więcej niż 1% części organicznych, to trzeba to potwierdzić badaniami.

Intuicyjnie słowo "niepalny" oznacza bezpieczny pożarowo, co, niestety, nie jest prawdą. Wprawdzie takie materiały nie będą stanowiły paliwa dla ognia, czyli nie będą go podtrzymywały, jednakże wykonane z nich elementy wcale nie muszą zachować się bezpiecznie w ogniu. Dotyczy to w szczególności stali, a w jeszcze większym stopniu stopów aluminium, które w temp. ok 700°C się topią.

Stal co prawda w typowym pożarze (RYS. 1) się nie stopi, jednakże bardzo szybko jej wytrzymałość i moduł sprężystości ulegną redukcji (RYS. 2-3), co spowoduje duże deformacje i w konsekwencji utratę nośności.

W zasadzie jedynie bardzo mało wytężone elementy stalowe, a więc nieekonomicznie zaprojektowane, mogą być zastosowane bez biernego zabezpieczenia ogniochronnego i wykazać się odpornością ogniową rzędu R30. W przypadku poprawnie wykonanego projektu konstrukcji stalowej należy zakładać brak odporności ogniowej konstrukcji i stosować zabezpieczenia ogniochronne, najczęściej w formie farb pęczniejących lub mas natryskowych. Istotną zaletą konstrukcji stalowych jest duża zbieżność między wynikami badań i obliczeniami według EC3, co zostało potwierdzone w ramach badań porównawczych zorganizowanych przez EGOLF.

W pracy "Porównanie metod oceny odporności ogniowej konstrukcji stalowych" [8] przedstawiono przypadek dotyczący dwóch belek HEB 300, wykonanych ze stali S460, o rozpiętości 4200 mm, obciążonych dwoma siłami, w 1/3 rozpiętości z każdej strony od podpory (łącznie 2 siły po 100 kN).

Nośność ogniową belki wyznaczono trzema metodami: według EC3, z wykorzystaniem analizy numerycznej oraz przez przeprowadzenie badania odporności ogniowej na piecu poziomym (RYS. 4, FOT. 3 - patrz: zdjęcie główne).

W TAB. 1 przedstawiono uzyskane wyniki.

Nieco odmienna sytuacja występuje w przypadku konstrukcji betonowych. Związane jest to z cechami izolacyjnymi betonu, który w przypadku konstrukcji żelbetowych stanowi naturalną ochronę dla stali zbrojeniowej również w sytuacji ogniowej, co powoduje, że w znacznej części przypadków konstrukcja żelbetowa sama broni się przed działaniem pożaru. Takie cechy betonu wynikają z procesów zachodzących w nim podczas ogrzewania, do których zalicza się:

• 100°C - odparowywanie wody;
• 100-300°C - odpryskiwanie termiczne betonu. Im beton szczelniejszy tym większe odpryski;
• 100-800°C - dehydratacja (odwadnianie) składników zaczynu cementowego C-S-H;
• 350-900°C - początek przemian zachodzących w kruszywie: żwir – 350°C; krzemianowe – 570°C, wapienne – 650°C, bazaltowe – 700°C;
• 400-600°C - rozkład wodorotlenku wapnia Ca(OH)₂ na CaO i H₂O,
• 374°C - punkt krytyczny wody;
• 573°C - przemiana kwarcu odmiany a w odmianę b. Jest to proces endotermiczny, któremu towarzyszy gwałtowne zwiększenie objętości materiału - mniejsza odporność na działanie ognia betonów krzemianowych;
• 700-800°C - rozkład węglanu wapnia CaCO₃ na CaO i CO₂;
• 1350°C - temperatura topnienia betonu.

Część ogniowa EC2 przewiduje trzy podstawowe metody szacowania odporności ogniowej (tabelaryczna, uproszczona izotermy 500°C lub strefowa oraz zaawansowana bazująca na odpowiedzi termicznej i mechanicznej konstrukcji), przy czym najczęściej, ze względu na łatwość korzystania, stosowana jest metoda tabelaryczna (TAB. 2). Należy jednakże pamiętać, że tablice zawarte w ogniowej części EC2 mają wiele ograniczeń, które każdorazowo należy sprawdzić.

Zasadniczo jednak stosowanie EC2 do weryfikacji odporności ogniowej typowych elementów żelbetowych daje bezpieczne przybliżenie. Monitorowanie bezpieczeństwa pożarowego elementów żelbetowych ogranicza się do utrzymania ich właściwego stanu technicznego.

Szczególnie niebezpieczne są wszelkiego typu odpryski betonu lub głębsze zarysowania, dające bezpośredni dostęp do zbrojenia.

W przypadku oceny konstrukcji żelbetowej po pożarze niezwykle istotne jest oszacowanie temperatury, do jakiej nagrzał się beton. Należy założyć, że graniczną temperaturą jest 500°C, powyżej której następuje już nieodwracalna degradacja betonu i znaczne osłabienie jego parametrów wytrzymałościowych, np. przyczepności do stali konstrukcyjnej (FOT. 4-5, RYS. 5).

W przypadku elementów murowych występuje duża różnorodność - ceramika, silikaty, beton komórkowy itp. Zasadniczo w przypadku elementów niedrążonych, np. betonu komórkowego [12], ceramiki pełnej, bloczków betonowych, murowanych na zaprawie cementowo-wapiennej, normalnej grubości, tabelaryczne dane zawarte w ogniowej części EC6 pozwalają bezpiecznie oszacować nośność ogniową ściany.

Odmiennie przedstawia się sytuacja w przypadku elementów o dużych drążeniach pionowych. Znane są przypadki, kiedy wykorzystano dane tabelaryczne z ogniowej części EC6, wyznaczano nośność ogniową na poziomie REI 240, a weryfikujące badanie w dużej skali dawało wynik REI 45 (FOT. 6 i FOT. 7).

Wskazuje to na możliwość znacznego przeszacowania rzeczywistych parametrów ogniowych ściany wykonanej z pustaków o dużych drążeniach. Znacznie łagodniej w sytuacji ogniowej zachowują się elementy o większej ilości drobnych drążeń, które podczas badania odpadają i łuszczą się etapami.

Bardzo ostrożnie należy również podchodzić do obliczeń z uwagi na pożar według EC4. Konstrukcje zespolone ze względu na różnorodność materiału bardzo różnie zachowują się w sytuacji ogniowej, dlatego też w ocenie autora, należy bardzo ostrożnie stosować zawarte w EC4 algorytmy wyznaczania odporności ogniowej. Ostatnie badania przeprowadzone w Laboratorium Badań Ogniowych w Pionkach wykazały rzeczywistą odporność ogniową na poziomie R45 (zamiast deklarowanej R120).

Literatura

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (EU) nr 305/2011 z 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG (OJ L 88, 4.4.2011, p. 5-43).
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690 z późn. zm).
3. D. Izydorczyk, B. Sędłak, P. Sulik, "Problematyka prawidłowego odbioru wybranych oddzieleń przeciwpożarowych", "Materiały Budowlane", nr 11/2015, s. 62-64.
4. P. Sulik, P. Roszkowski, "Bezpieczeństwo pożarowe dachów: Reakcja na ogień I rozprzestrzenianie ognia przez dachy - cz. 1”, "Inżynier Budownictwa", nr 4/2015, s. 104-109.
5. G. Woźniak, P. Roszkowski, "Projektowanie konstrukcji drewnianych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodu 5", ITB, Warszawa 2013.
6. G. Woźniak, P. Turkowski, "Projektowanie konstrukcji z betonu z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodu 2", ITB, Warszawa 2013.
7. P. Turkowski, P. Sulik, "Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodu 3", Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2015.
8. P. Sulik, P. Turkowski, M. Łukomski, "Porównanie metod oceny odporności ogniowej konstrukcji stalowych", "Materiały Budowlane", nr 11/2015, s. 62-64.
9. PN-EN 1993-1-2:2007, "Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe".
10. PN-EN 1365-3:2002, "Badania odporności ogniowej elementów nośnych. Część 3: Belki".
11. PN-EN 13501-2+A1:2010, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie wyników badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej".
12. Fib Model Code for ConcreteStructures 2010, Ernst &Sohn, 2013.
13. G. Zapotoczna-Sytek, P. Sulik, G. Woźniak, M. Abramowicz, "Przegrody budowlane wykonane z autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) a bezpieczeństwo pożarowe", Dni betonu: Tradycja i nowoczesność, 8 Konferencja. Wisła, 13-15 października 2014 r., s. 803-814

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!