Konstrukcje stalowe są mało odporne na działanie wysokich temperatur. Szczególnie jest to niebezpieczne w czasie pożaru, gdy konstrukcja narażona jest na działanie bardzo wysokich temperatur, sięgających nawet do 1200°C ( 1473°K). Temperaturą krytyczną jest temperatura, w której stal traci połowę swojej wytrzymałości ( dla stali niskowęglowej oraz niskostopowej jest to temp. 540÷750 °K). Przeciętna stalowa konstrukcja uzyskuje tę temperaturę po 10 minutach, a w obecności gazów palnych i łatwo zapalnych płynów — w ciągu 1 s. W wyniku czego, właściwości wytrzymałościowe stali ulegają znacznemu obniżeniu, a konstrukcja w krótkim czasie może ulec zawaleniu. Dlatego bardzo ciężko jest ocenić realne zagrożenie w czasie pożaru budynku o konstrukcji stalowej. Przeprowadzanie pełnej ewakuacji oraz akcji gaśniczej w większości przypadków jest utrudnione. Konieczne jest więc wykonanie odpowiedniej ochrony termicznej, wydłużającej odporność na działanie wyższych temperatur. W tym celu stosuje się czynną oraz bierną ochronę przeciwpożarową, która ma zabezpieczyć przed przedwczesnym występowaniem tzw. temperatury granicznej w stali, pod wypływem, której następuje zniszczenie elementu konstrukcyjnego. Aspekt projektowania, nośności i w konsekwencji ochrony konstrukcji stalowych w warunkach pożaru jest obecnie fundamentalnym zagadnieniem projektowania konstrukcji stalowych [1], [2], [3], [4], [5] i in. Ważnym narzędziem do analizy zachowania i doboru śrosków ochrony konastrukcji w warunkach pożaru są symulacje numeryczne [6].

Wymagana odporność ogniowa konstrukcji budynku

Wymagana odporność ogniowa konstrukcji jest zróżnicowana dla elementów konstrukcyjnych, zależnie od zadania, jakie pełni element w budynku i w zależności od wielkości i funkcji całego budynku. Odporność ogniową określa się w minutach czasu i została ona omówiona w odrębnym artykule.

Rodzaje ochrony ogniowej konstrukcji budynku

W celu ochrony konstrukcji stalowej przed utratą zdolności nośnych w warunkach pożaru stosuje się czynne i bierne zabezpieczenia pożarowe [7], [8], [9], [10], i in.

Czynna ochrona przeciwpożarowa to sterowane systemy przeciwpożarowe, czyli takie, które są włączane w razie zaistnienia pożaru (np. tryskacze). W języku teorii niezawodności mówimy o rezerwie gorącej.

Bierna (lub pasywna) ochrona przeciwpożarowa to elementy, które nie są sterowane w przypadku zaistnienia warunków pożaru. Elementy bierne są wbudowane na stałe w konstrukcję (np. obudowa konstrukcji z płyt).  W języku teorii niezawodności mówimy o rezerwie zimnej.

Czynna ochrona pożarowa konstrukcji

Do sposobów CZYNNEJ ochrony pożarowej konstrukcji można zaliczyć:

1. Czujniki i alarmy — Urządzenia te umożliwiają wykrycie ciepła, dymu i płomieni. System alarmów przeciwpożarowych umożliwia ostrzeżenie osób przebywających w budynku o potrzebie ewakuacji w związku z wybuchem pożaru (rys.1)

Rys.1. Czujniki alarmu pożarowego

2. Instalacje tryskaczowe — tryskacz wyposażony jest zazwyczaj w szklaną bańkę, w której znajduje się lotna ciecz, która zamyka dyszę wodną. W przypadku wybuchu pożaru podgrzana ciecz zwiększa swoją objętość, rozrywając szklaną bańkę, co powoduje uruchomienie strumienia wody(rys.2)

Rys.2. Tryskacz i jego uruchomienie

3. Systemy zabezpieczające przed rozprzestrzenianiem pożaru: drzwi przeciwpożarowe, bramy stalowe przeciwpożarowe, drzwi i ścianki profilowe, kurtyny przeciwpożarowe.
4. Systemy oddymiania i odprowadzania ciepła: klapy oddymiające, pasma świetlne lub świetliki z klapami oddymiającymi, okienny system oddymiania, systemy sterowania oddymianiem, rolowane kurtyny dymowe.
5. Kurtyny wodne — w strefach szczególnego zagrożenia instaluje się urządzenia umożliwiające silny wytrysk wody, tworzący ściany wodne uniemożliwiające przedostanie się ognia na zewnątrz tak zamkniętej przestrzeni. Zamiast wody, w obiektach, w których produkuje się lub magazynuje łatwopalne materiały, można zastosować inne płyny gaszące.
6. Wypełnienie konstrukcji wodą

W systemie chłodzenia konstrukcji wodą, którego schemat pokazano na rys.3 , podczas pożaru słupy rurowe wypełniane są wodą, która schładza je, a odporność ogniowa słupa jest co najmniej od 10 do 15 minut większa od odporności słupa pustego. Opisany powyżej sposób jest skuteczny, lecz posiada szereg wad: konieczność  uwzględnienia przy wymiarowaniu wpływu parcia hydrostatycznego, agresywne działanie wody, trudność w kształtowaniu i  realizowaniu poszczególnych połączeń i węzłów.

Rys.3. Schemat chłodzenia konstrukcji wodą [11]

Bierna ochrona pożarowa konstrukcji

Do sposobów BIERNEJ ochrony przeciwpożarowej można zaliczyć [12]:

Ogniochronne farby pęczniejące

Są to farby, które w podwyższonej temperaturze pęcznieją, tworząc ochronną warstwę. Aby ta metoda była skuteczna, należy na uprzednio zamontowaną konstrukcje nałożyć za pomocą natrysku lub pędzla 4 warstwy ognioochronnych farb.

Przez lata stosowany był polski zestaw farb pęczniejących „Ogniokor”,  w którym nakładano dwie warstwy pęczniejące i jedną warstwę nawierzchniową- wszystkie na bazie farb poliwinylowych.

Rys.4 System farb pęczniejących FlameControl [13]

Obecnie Farba „Flame Control” już nie jest produkowana w Polsce. Oferowane produkty zamienne, mają inne nazwy handlowe, choć własności są podobne do oryginalnego systemu FlameControl.
Dostępne produkty, to między innymi:  Carboline Flame Stal,  FIRETEX FX2002, Mercor, SteelGuard i inne. Jednym z najważniejszych parametrów farby pęczniejącej jest grubość powłoki, gdyż to ona bezpośrednio wpływa na poziom odporności ogniowej chronionego elementu. Grubość powłoki jest bezpośrednio uzależniona od wskaźnika masywności (wskaźnika U/A=obwód/powierzchnia profilu) oraz temperatury krytycznej.

Podstawowym ograniczeniem stosowania farb pęczniejących  jest możliwość wytwarzania powłok o odporności ogniowej tylko do R 60, co w wielu obiektach jest niewystarczające. W takich przypadkach stosuje się okładziny lub natryski , co opisano niżej.

Okładziny z płyt

Sposób zabezpieczenia przeciwogniowego konstrukcji stalowej materiałami płytowymi pokazano na rys.5.

Rys.5. Zabezpieczenie ogniochronne stalowych elementów konstrukcyjnych materiałami płytowymi: 1- okładzina przeciwogniowa, 2- dwuteownik stalowy  [14]

Stosowane są następujące rodzaje płyt:

• Płyty gipsowo-kartonowe (g-k)

Systemy płyt g-k są obecnie najczęściej stosowanym zabezpieczeniem ogniowym ze względu na powszechność występowania płyt g-k (w szczególności do lekkich ścian działowych). Głównymi systemami są: Rigips , Knauf, Norgips  i inne.

Przykładowo w systemie Rigips do obudowy ogniochronnych konstrukcji stalowych (profile otwarte i zamknięte )  stosuje się płyty Glasroc F (Ridurit; wg aprobaty technicznej AT-15-4148/2009) w formie zabudowy skrzynkowej uzyskując klasę odporności ogniowej R15 do R240. Na rys. 6 pokazano sposób zabezpieczenia belki stalowej, na rys 6b słupa stalowego w systemie Ridurit

Rys.6a. Przykład obudowy ogniowej belki stalowej: a) okładzina jednowarstwowa, b) okładzina dwuwarstwowa; 1- okładzina z płyt Ridurit, 1-1 pas płyty o szerokości min 100 mm i grubości równej grubości okładziny, 2- wkręty Ridurit lub zszywki, 3- belka stalowa, 4- kątownik montażowy 40x20x1 z blachy ocynkowanej, 5- dybel stalowy, 6- wkręty TB35 lub TB 45 [15]

Rys.6b. Przykład obudowy ogniowej słupa stalowego: lub TB 45 [15]

Grubości płyt g-k należy dobierać do wymaganej odporności ogniowej w zależności od współczynnika masywności kształtownika stalowego na podstawie aprobaty AT-15-4148/2009. Zwykle do zapewnienia odporności ogniowej R30 wystarcza płyta o grubości 10 mm , a do R60 dwie płyty 2x10mm.

• Płyty z wełny mineralnej o gęstości 150 kg/m³

Zastosowanie okładzin z płyt mineralnych pokazano na rys.7. Stosowane są one jako okładziny ogniochronne belek i słupów stalowych. Płyty mineralne te nie są odporne na uderzenia, dlatego należy stosować  dodatkowo osłony z tynku na siatce lub płyty gipsowe STG. Nakładane są one na stalowe szpilki przyspawane do zabezpieczanego  elementu. Następnie na szpilki nakładane są nakładki z blach, po czym szpilka zostaje zagięta.

Rys.7. Przykład mocowania płyt z wełny mineralnej do elementu stalowego. Rozstaw szpilek mocujących w mm [14]

• Płyty dźwiękochłonne, perforowane zbrojone włóknem szklanym

składają się z trzech warstw: warstwa spodnia — perforowany gips zbrojony włóknem szklanym, warstwa środkowa — wełna mineralna, warstwa wierzchnia — folia aluminiowa. Płyty te są stosowane przy wykonywaniu ognioochronnych oraz dźwiękochłonnych sufitów. Mocuje się je przy pomocy blachowkrętów samogwintujących.

Natryskowe powłoki niereaktywne

Natryskowe powłoki (rys.8) mają grubość od 10 do 50 mm. Umożliwiają uzyskanie okresu ognioodporności od 30 do 120 minut.  Wykonane są z materiałów opartych na cemencie i gipsie zawierających włókna mineralne, spęczniony  wermikulit lub/i inne lekkie kruszywa, lub masy wypełniające. Natryskowe powłoki nakładane są na miejscu.  Są szczególnie polecane dla elementów konstrukcji stalowej o skomplikowanych kształtach, niewidocznych w  czasie użytkowania.  W przypadku, gdy izolowane są duże powierzchnie pionowe lub poziome, gdy izolacja  może być narażona na uszkodzenia mechaniczne oraz gdy elementy narażone są na duże obciążenie  dynamiczne, należy zastosować wzmocnienie w postaci zbrojenia. Jako zbrojenie stosuje się siatki stalowe lub  spiralne z drutów stalowych. Etap natryskiwania powłoki na miejscu wymaga zastosowania wielu osłon,  dlatego też jest to dosyć czasochłonna czynność.

Rys.8 Zabezpieczenie ogniochronne stalowych elementów konstrukcyjnych metoda natryskową: a) słup, b) podciąg, c) słup dwugałęziowy, d) podciąg dwugałęziowy; 1- dwuteownik, 2- przeciwogniowa izolacja natryskowa, 3- ściana, 4- ceownik, 5- siatka stalowa [14]

Na rys.9 zilustrowano sposób aplikacji powłok natryskowych na konstrukcje stalowe.

Rys.8 Nakładanie ogniochronnych powłok metodą natrysku [16]

Rys.9 Kratownica stalowa zabezpieczona za pomocą natrysku w systemie mcr Tecwool F [17]

W tab. 2 poddano minimalne grubości natrysku w systemie mcr Tecwool F (Mercor) dla profili o przekroju otwartym (np. dwuteowniki) o masywności U/A i dla wymaganych klas odporności ogniowej R15 do R180.

Tab 2. Minimalne grubości natrysku [μm] dla profilu stalowego o przekroju otwartym
[17]

Dla poszczególnych klas odporności ogniowej przyjęto następujące temperatury krytyczne T_cr stali: dla R15 i 30  T_cr=550°C; dla R60  T_cr=500°C; dla R120 i 240 dla R120 i 180  T_cr=450°C.

Dla porównania przy tych samych założeniach w tab.3 podano minimalne, wymagane grubości warstw natrysku dla profili stalowych o przekroju prostokątnym zamkniętym.

Tab 3. Minimalne grubości natrysku [μm] dla profilu stalowego o przekroju prostokątnym zamkniętym
[17]

^**) Opracowano na podstawie pracy studenta:
Anna Błądek, Czynne i bierne zabezpieczenia pożarowe konstrukcji stalowych,
Praca semestralna z przemiotu „Konstrukcje stalowe dla Architektów”,  3 rok AiU, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, czerwiec 2015Literatura

1. Skowroński W. (2001), Teoria bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji metalowych, Wydawnictwo Naukowe PWN
2. PN-EN 1993-1-2+NA:2007, Eurokod 3 – Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-2: Reguły ogólne — Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe
3. Vassart O., Brasseur M. (Eds.), (2007), Fire safety of industrial halls and low-rise buildings: realistic fire design, active safety measures, post-local failure simulation and performance based requirements: final report. Office for Official Publications of the European Communities
4. Maślak, M. (2009). Trwałość pożarowa stalowych konstrukcji prętowych. Wydawnic-twa Politechniki Krakowskiej,[ https://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i3/i9/i8/i4/r3984/MaslakM_TrwaloscPozarowa.pdf ]
5. Biegus A. (2013), Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodów. Izolacje, 2
6. McGrattan, K., Hostikka, S., Floyd, J., McDermott, R. (2010), Fire Dynamics Simula-tor (Version 5) Technical Reference Guide. National Institute of Standards and Tech-nology US, [ http://www.pyrosim.pl/wp-content/uploads/2014/07/Dokumenty-walidacji-FDS-%E2%80%93-Pyrosim-ENG.pdf ]
7. Maślak, M. (2010). Odporność ogniowa. Nośność konstrukcji w warunkach pożaru. In Budownictwo ogólne. Stalowe konstrukcje budynków. Projektowanie według euro-kodów z przykładami obliczeń (Vol. 5, cz.10). Arkady
8. Camia, A. (2014). The European fire database technical specifications and data submission: Executive Report. Publications Office, [ http://dx.publications.europa.eu/10.2788/2175 ]
9. Arcelor Mittal. (2011). Konstrukcje stalowe w Europie. Jednokondygnacyjne kon-strukcje stalowe. Część 7: Inżynieria pożarowa (SSB07 Inzynieria pożarowa; pp. 115–121). Arcelor Mital, [ http://sections.arcelormittal.com/fileadmin/redaction/4-Library/4-SBE/PL/SSB07_Inzynieria_pozarowa.pdf ]
10. Arcelor Mittal. (2015). Konstrukcje stalowe w Europie. Wielokondygnacyjne konstruk-cje stalowe. Część 6: Inżynieria pożarowa (MSB06 Inzynieria pozarowa).[ http://sections.arcelormittal.com/fileadmin/redaction/4-Library/4-SBE/PL/MSB06_Inzynieria_pozarowa ]
11. Kowal Z., (1975), Wybrane działy z konstrukcji metalowych, Część III: Zbiorniki, płyty fałdowe i warstwowe, struktury , Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
12. Kosiorek, M., Staniszewski, A. (1988), Odporność ogniowa konstrukcji budowlanych. Arkady
13. Navicor, (2015), Ochrona przeciwpożarowa antykorozja – Flame Control, [ http://www.navicor.pl/?Uslugi___Antykorozja___Flame_Control#.V0gGs75O_cs ]
14. Mielczarek, Z. (2001). Nowoczesne konstrukcje w budownictwie ogólnym. Arkady
15. Sewera.pl. (2015). Systemy ochrony przeciwpożarowej. Zaopatrzenie Budownictwa . Od Fundamentów Po Dach. [ http://www.sewera.pl/pdf/rigips_systemy_ppoz.pdf ]
16. Carboline Polska, (2015), Natrysk ognioochronny Perlifoc, zabezpieczenia ognio-chronne konstrukcji stalowych, przejść instalacyjnych, [ http://www.carboline.pl/produkty-przeciwpozarowe,2,Ogniochronne-natryski-na-stal-i-beton-.html ]
17. Mercor, (2016), Tecwool F – zabezpieczenia pożarowe-konstrukcje stalowe i żelbe-towe. Mercor.Pl. [ http://www.mercor.com.pl/page,pro,id,3454,mcr_Tecwool_F___konstrukcje_stalowe_i_zelbetowe.html ]

________________________________