Jak podnieść odporność przeciwpożarową konstrukcji stalowej - Część 1

 

Wprowadzenie do konstrukcji stalowych w budownictwie

Stal czyli metal będący stopem żelaza i węgla jako materiał konstrukcyjny w budownictwie wykorzystywany jest już od XVIII w.

Jej popularność wynika przede wszystkim z doskonałych parametrów wytrzymałościowych. Mowa tu o wysokiej wytrzymałości konstrukcji stalowych na oddziaływania sił ściskających, ale jeszcze lepsze na oddziaływania rozciągające.

Zalety konstrukcji stalowych

W praktyce, wykorzystując elementy konstrukcyjne wykonane ze stali, możemy przy dużo mniejszych przekrojach poprzecznych rdzenia elementu realizować konstrukcje o większych rozpiętościach między podporami. Co za tym idzie, są one bardzo przyjazne z punktu widzenia dużej i swobodnej w planowaniu przestrzeni architektonicznej. Zachowane są przy tym relatywnie niskie koszty produkcyjne.

Wyzwania związane z konstrukcjami stalowymi

Jednakże, jak każdy materiał, przy wielu zaletach ma również wady. Niewątpliwie będą to, w rozumieniu wykorzystywania stali w budownictwie, niska odporność antykorozyjna oraz niska odporność przeciwpożarowa.

Jako odporność przeciwpożarową mam na myśli drastyczną utratę nośności pod wpływem temperatur rzędu powyżej 300 C -- czyli znacznie niższej temperatury niż powstają w wyniku działania ognia w trakcie rozwiniętego pożaru budynku. (występują wtedy zazwyczaj temperatury powyżej 700 C)

Znaczenie odporności przeciwpożarowej w bezpieczeństwie budynków

Co to oznacza dla budynku? Konstrukcja powinna zapewnić bezpieczeństwo, zarówno w czasie ewakuacji z niego dla użytkowników, jak i zminimalizować ryzyko katastrofy budowlanej w wyniku zawalenia się części budynku. Wprowadzono więc miarę czasu, jaki konstrukcja musi wytrzymać w trakcie pożaru i stawia się dla danej klasy budynku i jego wysokości minimalne czasokresy braku utraty stateczności elementów konstrukcyjnych.

Historyczne przykłady katastrof budowlanych związanych z pożarami

Znamienne są wielkie katastrofy budowlane wynikające z niskiej odporności przeciwpożarowej konstrukcji stalowych. Jeden z najbardziej znanych przykładów to zawalenie się dwóch wież budynku World Trade Center w Nowym Jorku w wyniku ataku terrorystycznego w 2001 roku.

Uderzenie samolotów w budynek spowodowało powstanie miejscowych pożarów o bardzo wysokiej temperaturze. Jak wiadomo, wiele budynków wysokościowych (tzw. drapaczy chmur)

główny rdzeń konstrukcyjny oparty ma na konstrukcji stalowej. To właśnie przez tą wysoką temperaturę a nie bezpośrednie uszkodzenie konstrukcji w wyniku uderzenia samolotu nastąpiło osłabienie miejscowe konstrukcji, utrata stateczności i zapadnięcie się wyższej części budowli pod wpływem ciężaru.

Podobne przykłady pokazujące niską wytrzymałość budynków o rdzeniach z konstrukcji stalowej, które uległy zawaleniu pod wpływem pożarów zdarzały się również w innych momentach historii np. w 2017 zawalił się wieżowiec Plasco w Teheranie a w 2018 wieżowiec Edifício Wilton Paes de Almeida w São Paulo

Metody zabezpieczania konstrukcji stalowych przed skutkami pożaru

Jak można zapobiegać lub osłabiać efekt działania wysokiej temperatury na rdzeń nośny elementów zbudowanych ze stali ?

Najprostszym sposobem jest stosowanie wszelkich tzw. **biernych zabezpieczeń przeciwpożarowych **tj. np. :

- powłoki ochronne z farb pęczniejących -- są to farby zawierające substancje, które pod wpływem podnoszącej się temperatury zaczynają pęcznieć tworząc dodatkową izolację termiczną dla rdzenia konstrukcji stalowej

- powłoki tynkarskie -- specjalne tynki narzutowe o podobnym działaniu jak farby

- obudowy z płyt ognioodpornych -- w zależności od przekrojów elementów konstrukcyjnych ze stali stosuje się zabudowy, bądź to skrzynkowe, bądź bezpośrednie. Mają one podobną zasadę jak powyższe, tzn. obniżają temperaturę jaka bezpośrednio oddziałuje na element stalowy

- obudowy z płyt z wełny mineralnej -- specjalnie zaprojektowane systemy na bazie płyt z twardej wełny mineralnej stosujemy jako zabudowy rdzenia konstrukcji ze stali

- obudowy azbestowe -- kiedyś powszechnie stosowane wyszły z użycia w związku z rakotwórczymi właściwościami azbestu

- betony ogniochronne -- samo obetonowanie elementu z konstrukcji stalowej zapewnia już przy odpowiedniej grubości otuliny ochronę termiczną, jednakże można dodatkowo stosować specjalnie zaprojektowane mieszanki betonów jak betony lekkie (keramzytowe, z dodatkami perlitu czy wermikulitu) a w ekstremalnych zastosowaniach również żaroodporne (szamotowe, korundowe itp.)

Czynne zabezpieczenia przeciwpożarowe dla konstrukcji stalowych

Alternatywą może być stosowanie również czynnych zabezpieczeń przeciwpożarowych, które nie podniosą bezpośrednio wytrzymałości elementów konstrukcyjnych ze stali, ale mogą obniżać temperaturę oddziaływania pożaru lub przekażą informację o aktualnym ich stanie.

Mam tu na myśli takie rozwiązania jak:

1. Chłodzenie konstrukcji poprzez:

- instalacje tryskaczowe i zraszacze wodne

- systemy mgły wodnej

- kurtyny wodne

- gaszenie pianą

2. Systemy gaszenia odbierającymi tlen potrzebny do spalania

- gaszenie gazami -- najczęściej spotykane w mniejszych pomieszczeniach, gdzie nie jest wskazane stosowania wody jak np. rozdzielnie, serwerownie czy też strefy nad piecami kuchennymi z tłuszczem

3. Systemy monitoringu i ostrzegania

- monitoring temperaturowy przy użyciu czujników lub kamer termowizyjnych np. ADICOS https://www.ipands.pl/oferta/system-detekcji-wczesnych-faz-pozaru-i-przegrzewow-adicos/matrycowe-czujniki-temperatury-ir-typu-hotspot

systemy te nie będą bezpośrednio chronić konstrukcji stalowej obiektu, ale mogą służyć jako element ostrzegawczy dla kierujących akcją gaśniczą w trakcie pożaru

- zintegrowane systemy ochrony pożarowej (systemy, które integrują ze sobą wiele czynnych instalacji ochrony przeciwpożarowej pozwalające zarówno na dużo szybsze wykrywanie pożaru jak i obniżanie ryzyka jego rozprzestrzeniania się)

Tego typu rozwiązania są coraz bardziej popularne i wg moich przewidywań w niedalekiej przyszłości mogą wejść na stałe do praktyki dobrego projektowania nowoczesnych budynków, w których w momencie zagrożenia istniejące instalacje przy odpowiednim ich zarządzaniu mogą zmieniać swoją funkcję i usprawniać ewakuację oraz przyspieszać akcję gaśniczą.

Podsumowanie pierwszej części artykułu

W pierwszej części artykułu omówiliśmy podstawowe właściwości konstrukcji stalowych, ich zalety i wady, ze szczególnym uwzględnieniem odporności przeciwpożarowej. Przedstawiliśmy również różne rodzaje zabezpieczeń przeciwpożarowych - zarówno biernych, jak i czynnych.

W drugiej części artykułu skupimy się na szczegółowej ocenie poszczególnych metod biernych zabezpieczeń przeciwpożarowych konstrukcji stalowych, przedstawimy ich wady i zalety oraz skuteczność w podnoszeniu odporności ogniowej. Dowiecie się również, jak dobrać najbardziej odpowiednie zabezpieczenia dla różnych typów konstrukcji i budynków.