Poradnik inżyniera. Ochrona przeciwpożarowa konstrukcji betonowych

Konstrukcje betonowe, pomimo wysokiej odporności samego materiału na działanie ognia, również należy projektować z uwzględnieniem aspektu nośności ogniowej. W drugiej części poradnika inżyniera wraz z ekspertem Paroc wyjaśniamy, jak określać i dobrać odpowiednią metodę ochrony dla dźwigarów, kolumn, ścian i płyt z betonu.

Zgodnie z obowiązującym prawem budowlanym każdy element konstrukcji powinien być w stanie wytrzymać zarówno ciężar własny, jak i wywierane obciążenie. Szczególnie w przypadku wzrostu temperatury, który dla elementów betonowych oznacza spadek elastyczności materiału i zbrojenia, a co za tym idzie – wytrzymałości. Wbrew pozorom, dźwigary, kolumny, stropy i inne konstrukcje z betonu nie są w stanie opierać się ogniowi w nieskończoność.

– Wytrzymałość zbrojonego betonu zależy między innymi od rodzaju użytego kruszywa, a także zawartości wilgoci – wyjaśnia Adam Buszko, Szef Wsparcia Sprzedaży Izolacji Budowlanych w Paroc Polska. – Przykład? Lekki beton przy wyższych temperaturach zachowuje się lepiej, niż beton o tradycyjnym kruszywie żwirowym. Materiał poddany wcześniejszemu obciążeniu jest z kolei mocniejszy niż beton zbrojony, aczkolwiek ten pierwszy ma większą tendencję do kruszenia się – dodaje.

Nośność przede wszystkim

W pełni rozwinięty pożar w konstrukcjach betonowych powoduje rozszerzanie się ich elementów, dlatego wynikające z tego tytułu obciążenia powinny zostać zrekompensowane odpowiednią wytrzymałością. Wymagania odporności przeciwogniowej określa się poprzez kategorie okresu odporności ogniowej i przedstawia się w minutach (15, 30, 45, 60, 75, 90, 120 itd.). Obowiązkiem konstruktora jest określenie odpowiednich ograniczeń lub temperatur, dla których dany przekrój straci nośność i spowoduje zawalenie się konstrukcji.

W tym celu posiłkować się można zapisami kodeksu budowlanego, w tym przede wszystkim normą EN 1992 euro kod 2 – projekt struktur betonowych. Euro kody odnoszące się do zagadnienia ognia zakładają trzy zasadnicze sposoby projektowania odporności na ogień konstrukcji betonowych.

Określanie metody ochrony

Pierwsza metoda, potocznie nazywana „wymiarowaniem na zimno”, polega na wyjęciu odpowiednich wartości z gotowych zestawień. Dla zbrojonych i poddanych wcześniejszemu obciążeniu dźwigarów, kolumn, ścian i płyt euro kod 2 podaje tabele, które definiują minimalne wymiary przekrojów, a także odległość od osi zbrojenia do spodniej powierzchni płyty betonowej.

Powyższą metodą można uzupełnić o uproszczone lub zaawansowane modele obliczeń. – W pierwszym przypadku konstruktor, posiłkując się szczegółową wiedzą z zakresu FSE, uwzględnia utratę wytrzymałości betonu i zbrojenia od funkcji temperatury. Ten model wymaga szczegółowej wiedzy z zakresu FSE – tłumaczy Adam Buszko. – Najbardziej złożone i nietypowe konstrukcje wymagają zaawansowanych programów obliczeniowych oraz wysokiego poziomu wiedzy – dodaje.

„Wymiarowanie na zimno” opiera się na hipotezie kruszyw krzemionkowych. W zależności od wymaganego okresu wytrzymałości na działanie ognia oraz (o ile to możliwe) poziomu obciążenia, tabela euro kodów podaje pary wartości typu 200/35. Pierwsza wartość odpowiada minimalnym wymiarom poprzecznego przekroju elementu (b_min). Druga wartość odpowiada „a”, odległości od osi podłużnego zbrojenia do spodniej powierzchni betonu.

Tabele są oparte na krytycznej temperaturze stali: 500°C dla betonu zbrojonego prętami stalowymi, 400°C dla betonów sprężonych z prętami poddanych wstępnemu obciążeniu, 350°C dla betonów sprężonych ze zbrojeniem z drutów i włókien stalowych poddanych wstępnemu obciążeniu. Współczynnik obniżania wartości charakterystycznej wytrzymałości stali w zbrojeniach i betonie wcześniej poddanemu obciążeniu w funkcji krytycznej temperatury θ_cr, który ma być wykorzystany w tabelach, przedstawiono jako krzywą odniesienia w poniższej tabeli.

Kolejny wykres pokazuje profile temperatury płyt (wysokość h = 200 mm) dla zakresu nośności ogniowej R60 – R240 (EC2). Takie same krzywe mogą być również wykorzystane przy płytach kanałowych. Wielkość „X” oznacza odległość od spodniej powierzchni betonu obciążonego ogniowo. Jak można wywnioskować z poniższego wykresu, temperatura punktu usytuowanego 30 mm od spodniej powierzchni betonu po 90 minutach działania ognia wynosi 500°C. Punkt usytuowany 15 mm głębiej ma już temperaturę 350°C.

Izolacja przeciwogniowa

Aby zwiększyć nośność ogniową danego elementu betonowego, wykorzystać można wykonaną z tego samego materiału dodatkową warstwę ochronną tudzież izolację przeciwogniową stanowiącą bierny środek ochrony przeciwpożarowej. W tym drugim przypadku szczególnie dobrze sprawdza się elastyczny i niepalny materiał, jakim jest wełna kamienna. Dobierając odpowiednie rozwiązanie, warto kierować się kryterium niepalności i gęstości – im wyższa, tym lepiej z punktu widzenia bezpieczeństwa ogniowego.

Producenci izolacji budowlanych dostarczają gotowe obliczenia grubości płyt izolacyjnych dla poszczególnych wartości wytrzymałości ogniowej konstrukcji przy standardowym narażeniu na ogień. W tym celu dokonuje się oceny izolacji zgodnie z EN 13381-3: 13.4 i EN 1363-1. Wyniki odpowiednika grubości w stosunku do grubości ochrony przeciwpożarowej i odporności ogniowej (czas testu) dla płyt i belek określa się zgodnie z EN 13381-3: Aneks C.

W poniższej tabeli można znaleźć ekwiwalent grubości betonu przy izolacji płytami ognioochronnymi PAROC FPS 17.

– Przykładowo, zgodnie z podanymi danymi, dla 30-minutowej ochrony ogniowej betonu zastosować wolno 49-milimetrową warstwę ochronną betonu, którą mierzymy od osi zbrojenia do spodniej powierzchni. Alternatywnie, jeżeli stal znajduje się na głębokości 15 mm, wykorzystać możemy płytę z wełny kamiennej PAROC FPS 17 o grubości jedynie 20 mm – podsumowuje Adam Buszko z Paroc Polska.