06 a.biegus-bezpieczenstwo pozarowe konstrukcji stalowych

7/26/2019 06 a.biegus-Bezpieczenstwo Pozarowe Konstrukcji Stalowych

1/65

POLITECHNIKA WROCAWSKA

WYDZIA BUDOWNICTWA LDOWEGO I WODNEGO

ANTONI BIEGUS

PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH WEDUG

EUROKODU 3

BEZPIECZESTWO POAROWE KONSTRUKCJI STALOWYCH

WYKADY

WROCAW, 2013


2/65

2

Spis treci

1. Podstawy, oddziaywania i metody projektowania .......... 4

1.1. Wprowadzenie .................. 4

1.2. Ognioodporno budynkw i elementw konstrukcyjnych .... 7

1.3. Podstawy projektowania konstrukcji ....... 10

1.4. Oddziaywania na konstrukcje w warunkach poaru wg PN-EN 1991-1-2 .. 11

1.5. Metody projektowania konstrukcji na warunki poarowe wg Eurokodw ........... 14

2. Zabezpieczenia ognioochronne konstrukcji stalowych .... 18

2.1. Waciwoci mechaniczne stali wglowych w podwyszonej temperaturze ..... 18

2.2. Zachowanie si elementw stalowych bez izolacji termicznej ..... 20

2.3. Zachowanie si elementw stalowych izolowanych termicznie ... 21

2.4. Sposoby zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowych ...... 242.5. Systemy zabezpiecze ogniochronnych konstrukcji stalowych ... 26

2.6. rodki pasywne termicznie . 26

2.7. rodki aktywne termicznie ..... 30

2.8. Uwagi i wnioski kocowe .. 32

3. Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunkipoarowe ........... 33

3.1. Wprowadzenie .... 33

3.2. Proste metody projektowania konstrukcji stalowych na warunki poarowe ... 34

3.3. Metoda temperatury krytycznej ... 36

3.3.1. Temperatura krytyczna elementu stalowego ...... 36

3.3.2. Analiza termiczna elementw stalowych bez izolacji ogniochronnej ..... 40

3.3.3. Analiza termiczna elementw stalowych z izolacj ogniochronn ..... 42

3.4. Metoda nonoci ... 45

3.4.1. Wprowadzenie ..... 45

3.4.2. Waciwoci stali w podwyszonej temperaturze ... 47

3.4.3. Klasyfikacja przekrojw .... 493.4.4. Obliczeniowa nono elementu na rozciganie ...... 49

3.4.5. Obliczeniowa nono elementw ciskanych o przekrojach klasy 1, 2 i 3 50

3.4.6. Obliczeniowa nono elementw zginanych o przekrojach klasy 1, 2 i 3 51

3.4.7. Obliczeniowa nono przekroju na cinanie . 52

3.4.8. Nono elementw o przekrojach klasy 4 ..... 52

3.4.9. Obliczeniowa nono elementw jednoczenie ciskanych i zginanych ..... 53

4. Obliczanie odpornoci ogniowej elementw stalowych na podstawie

nomogramw .... 53

Literatura .. 59


3/65

3

P O D Z I K O W N I E

Autor serdecznie dzikuje Panu mgr. in.S awomirowi ROWISKIEMUza trud korekty pracy i wniesione uwagi redakcyjne oraz merytoryczne


4/65

4

Prof. dr hab. in. Antoni Biegus

Bezpieczestwo poarowe konstrukcji stalowych

1. Podstawy, oddziaywaniai metody projektowania

1.1. Wprowadzenie

Poary obiektw budowlanych s nie tylko przyczyn ogromnych strat materialnych,

ale powoduj te cikie obraenia i niekiedy mier wielu ofiar. W trakcie poaru

wzrasta temperatura konstrukcji nonej obiektu. Wwczas najczciej nastpuje de-

gradacja waciwoci mechanicznych materiaw ustroju nonego, w konsekwencjiczego zmniejsza si nono graniczna konstrukcji (zwiksza si za jej odksztacal-

no), prowadzca dowyczerpania wytrzymaoci i awarii lub katastrofy obiektu. Od-

dziaywanie poarowe jest wic realnym zagroeniem bezpieczestwa obiektu, ktre

stanowi przede wszystkim niebezpieczestwo dla ludzi, a take powstania strat mate-

rialnych. Ponadto w trakcie poaru, bardzo czsto wydzielajce si toksyczne gazy (w

wyniku rozkadu termicznego np. tworzyw sztucznych) powoduj cikie uszkodzenia

zdrowia ofiar lub ich miertelne zatrucie.

Gwnym celem ochrony przeciwpoarowej budowli jest ograniczenie ryzyka poaru

z poszanowaniem jednostki i spoeczestwa, ssiadujcego mienia, a take, jeli jest

to wymagane, rodowiska lub mienia bezporednio poddanegooddziaywaniu poaru.

Obiekty budowlane powinny by zaprojektowane i wykonane w taki sposb, aby w

przypadku poaru:

nono konstrukcji moga by zapewniona przez zaoony okres czasu,

powstanie i rozprzestrzenienie si ognia i dymu w obiektach byo ograniczone,

rozprzestrzenianie si ognia na ssiednie obiekty byo zminimalizowane,

mieszkacy mogli opuci obiekt lub by uratowani w inny sposb,

byo uwzgldnione bezpieczestwo ekip ratowniczych.

W ocenie niezawodnoci konstrukcji analizujc stan graniczny nonoci, naley ba-

da nie tylko kryteria bezpieczestwa zwizane z wytrzymaociw trakcie normalnej

eksploatacji, ale te kryteria odpornoci ogniowej. Bezpieczestwo poarowe jest wic

wymogiem podstawowym, ktry zgodnie z Eurokodami [7][14] musi spenia obiekt

budowlany.


5/65

5

Normy poarowe to czci 1-2 Eurokodw odnoszcych sido oceny oddziaywa w

trakcie poaru - PN-EN 1991 [8] oraz projektowania w warunkach poaru konstrukcji:

betonowych - PN-EN 1992 [9], stalowych - PN-EN 1993 [10], zespolonych stalowo-

betonowych - PN-EN 1994 [11], drewnianych - PN-EN 1995 [12], murowych - PN-EN

1996 [13] i aluminiowych - PN-EN 1999 [14]. Eurokody konstrukcyjne [5][10] s to

normy powizane z ich czciami 1-1 (dotyczcymi projektowania w warunkach nor-

malnych), a ujcieprojektowania w warunkach poaru w czciach 1-2 wiadczy m.in.

o randze tej problematyki. Eurokody [8][14] zawieraj postanowienia dotyczceoceny

niezawodnoci konstrukcji w warunkach rozgorzenia poaru. Przed ich wprowadzeniem

do zbioru Polskich Norm brak byo podobnych krajowych norm PN-B dotyczcych pro-

jektowania konstrukcji budowlanych w warunkach poaru. Tym te czciowo naley

tumaczy, e czsto w krajowej praktyce projektowej bezpieczestwo poarowe nie

jest waciwie uwzgldniane. Odnotowywane liczne przypadki poarw budowli i zwi-

zane z nimi due straty materialne wiadcz o stosunkowo maej wiedzy projektantw

dotyczcej strategii oraz inynierii poarowej.

Eurokody [8][14] dotyczce projektowania konstrukcji budynkw z uwagina warun-

ki poarowe oferuj obecnie szeroki wachlarz metod obliczeniowych.W celu spenienia

wymaga bezpieczestwa poarowego zgodnych z krajowymi przepisami budowlany-

mi, umoliwiaj one projektowanie wedugmetody tradycyjnej lub te metod opartych

na waciwociach, zgodnie z inynieri bezpieczestwa poarowego. Metody oparte

na waciwociachwymagajna og bardziej zoonej analizy obliczeniowej i pozwala-

jna dokadniejsze spenienie celw zabezpieczenia poarowego.

Zgodnie z PN-EN 1990 [7] stany graniczne nonoci (stany poprzedzajce katastro-

f, ktre dla uproszczenia uwaane s za sam katastrof) odnosz si do bezpie-

czestwa ludzi i/lub bezpieczestwa konstrukcji, a w niektrych okolicznociach take

dotycz ochrony zawartoci budowli.Na rys. 1 i 2 pokazano widok hali produkcyjno-magazynowej. W trakcie jej poaru

cakowitemu zniszczeniu ulegy urzdzenia produkcyjno-technologiczne, ktrych war-

to przekraczaa kilkukrotnie warto budowlan tego obiektu. W tym przypadku przy-

czyn bardzo duych strat materialnych byo niewaciwe uwzgldnienie w projekcie

ochrony wyposaenia i budowli w warunkach poaru.Midzy innymi nie zastosowano

ciany ognioochronnej oddzielajcej cz produkcyjn obiektu od jej czci magazy-

nowej, zastosowano dachowe pyty warstwowe z atwopaln izolacj termiczn, ktraumoliwia rozprzestrzenienie si poaru w caym obiekcie.


6/65

6

Rys. 1. Widok dachu hali produkcyjno-magazynowej po poarze

Rys. 2. Przykad zdeformowanej patwi po poarze w hali produkcyjno-magazynowej


7/65

7

1.2. Ognioodporno budynkw i elementw konstrukcyjnych

Ognioodporno jest wyraana jako czas, w ktrym element obiektu budowlanego

(nony lub/i osonowy) moe wytrzyma dziaanie ognia, nie tracc okrelonej swojej

funkcji (elementu nonego lub/i elementu oddzielajcego). Klasyfikuje si j za pomoc

nastpujcych kryteriw waciwoci: - nonoci R (fire resistance), ktra jest wytrzy-

maoci elementu nonegona dziaanie ognia podczas trwania poaru, bez utraty sta-

tecznoci konstrukcyjnej (rys. 3a);- izolacyjnociI(fire isolation), ktra jest zdolnoci

elementu oddzielajcego poddanego dziaaniu ognia z jednej strony do ograniczenia

wzrostu temperatury powierzchni nieosonitych poniej okrelonych wartoci granicz-

nych wynoszcych 140oC (rednio)i 180oC (maksymalnie), w celu zapobieenia zapo-

nowi na powierzchniach przylegych (rys. 3b); - szczelnociE (fire tachit), ktrajest zdolnoci elementu oddzielajcego poddanego dziaaniu ognia z jednej strony do

ograniczenia powstania szczelin o znacznych rozmiarach, w celu zapobieenia przeni-

kaniu gorcych gazw i rozprzestrzenianiu ognia na przylege pomieszczenia (rys. 3c).

Rys. 3. Kryteria ognioodpornoci elementw konstrukcyjnych[17]

W analizie bezpieczestwa konstrukcji w warunkach poaru naley bada:

stan graniczny nonoci ogniowej R,w ktrym poddany dodatkowo dziaaniu ognia

obciony element konstrukcyjny przestaje spenia swoj funkcj non(wystpuje

wyczerpanie wytrzymaoci, due odksztacenia, utrata statecznoci),

stan graniczny izolacyjnoci ogniowej I, w ktrym element przestaje spenia swoj

funkcj oddzielajc, w wyniku przekroczenia granicznej temperatury jego po-

wierzchni nienagrzewanej,


8/65

8

stan graniczny szczelnoci ogniowej E, w ktrym element przestaje spenia swoj

funkcj oddzielajc, na skutek pojawienia si jego powierzchni nagrzanej pomieni

lub wystpienia szczelinprzekraczajcych graniczne rozwartoci lub/i dugoci.

Stan graniczny nonoci ogniowej R dotyczy wyczerpania wytrzymaoci elementu,

czyli zdolnoci przenoszenia przyoonych do niego obcie. Stany graniczne ognio-

wej izolacyjnoci Ioraz szczelnociEdotycz gwnie elementw stanowicych prze-

grody budynkw (ciany i stropy) zwaszcza tych, ktre ograniczaj strefy poarowe.

Wyczerpanie izolacyjnoci Ioraz szczelnociE wi si z uatwionym rozprzestrze-

nianiem sipoaru w ssiedztwie strefy poarowej. Naley zauway, e nono R

jest wymagana w przypadku wszystkich elementw nonych konstrukcji. Natomiast

wymagania izolacyjnoci Ioraz szczelno Edotycz elementw oddzielajcych, takich

jak pyty stropowe i ciany, stanowicych granice stref ogniowych.

Odporno ogniowelementw konstrukcyjnych dfit , mierzy si czasem wyraonym

w minutach, ktry upywa od rozgorzenia poaru do momentu osignicia jednego z

w/w stanw granicznych. Dlatego w przepisach przeciwpoarowych, zalenie od klasy

uytkowej budynku, wymagania odpornoci ogniowej jego elementw wynosz: 15 m i-

nut (R 15), 30 minut (R 30), 60 minut (R 60), 120 minut (R 120) lub 240 minut (R 240).

Powinna ona by zawsze co najmniej rwna odpowiednim wartociomobliczeniowego

czasu ekspozycji poarowej odpowiadajcej wymaganemu okresowi utrzymania no-

noci reqdfit ,, , ktry jest okrelony przez krajowe przepisy przeciwpoarowe.

Zestaw takich wymaga jednoznacznie okrelonych dla wszystkich czci ustroju no-

nego i jego wypenienia, charakteryzuje klas odpornoci poarowej przypisan do

caego budynku.

Wymagania dotyczce odpornoci poarowej budynku zale gwnie od jego ro-

dzaju i przeznaczenia. Okrelono je w rozporzdzeniu [15], w ktrym ustanowiono 5

klas odpornoci poarowej (OP) - oznaczonych (w kolejnoci od najniszej do najwy-

szej) literami A, B, C, D i E (tab. 1). Kadej klasie przyporzdkowano okrelone wyma-

gania odniesione do odpornoci ogniowej (OO) poszczeglnych elementw budowli:

gwnej konstrukcji nonej, konstrukcji dachu, stropu, cian zewntrznych i wewntrz-

nych oraz pokrycia dachu. Podano je w tabl. 1 (symbol - oznacza brak wymaga).

W rozporzdzeniu [15] przedstawiono szczegowe zasady przypisujce klasy do

poszczeglnych rodzajw budynkw (mieszkalnych uytecznoci publicznej, produk-

cyjne, magazynowe itp.) oraz ich wielkoci (np. liczby kondygnacji).


9/65

9

Tabl. 1. Wymagania odpowiadajce poszczeglnym klasom odpornoci poarowej bu-

dynkw wedug [15]

Klasaodpornocipoarowej

budynku (OP)

Klasa odpornoci ogniowej (OO) elementw budynkugwna

konstrukcja

nona

konstrukcjadachu strop

cianazewntrzna

cianawewntrzna

pokryciedachu

A R 240 R 30 REI 120 EI 120 EI 60 E 30

B R120 R 30 REI 60 EI 60 EI 30 E 30

C R 60 R 15 REI 60 EI 60 EI 15 E15

D R 30 - REI 30 EI 30 - -

E - - - - - -

Zgodnie z [15] wyrniono trzy rodzaje budynkw:

mieszkania, zamieszkania zbiorowego i uytecznoci publicznej, charakteryzowane

kategori zagroenia ZLi,produkcyjne i magazynowe PM,

inwentarskie IN.

Poszczeglnym kategoriomZLiopowiadaj budynki:

- ZL Izawierajce pomieszczenia przeznaczone do jednoczesnego przebywania po-

nad 50 osb niebdcych ich staymi uytkownikami, a nie przeznaczonych

przede wszystkim do uytku ludzi o ograniczonej zdolnoci poruszania si,

- ZL IIprzeznaczone przede wszystkim do uytku ludzi o ograniczonej zdolnoci po-ruszania si, takie jak szpitale, przedszkola, obki, domy dla osb starszych,

- ZL IIIuytecznoci publicznej nie zakwalifikowane do ZL I i ZL II,

- ZL IVmieszkalne,

- ZL Vzamieszkania zbiorowego, niezakwalifikowane do ZL I i ZL II.

Wymagania klasy odpornoci poarowej OP odnoszce si do budynkw charakte-

ryzowanych przez kategorie ZLizale od ich wysokoci i przedstawiono je w tabl. 2.

Tab. 2. Wymagania klasy odpornoci poarowej (OP) budynkw charakteryzowanych

przez kategorie ZL, wedug[15]

Kategoriazagroenia

ludzi

Budynki mieszkalne, zamieszkania zbiorowego i uytecznoci publicznejniskie o liczbie kondygnacji rednio-

wysokiewysokie wysoko-

ciowe1 2 3 4

ZL I B B B B B B A

ZL II B B B B B B A

ZL III C C C C B B A

ZL IV D D D D C B B

ZL V C C C C B B A


10/65

10

Wymagania klasy odpornoci poarowej OP budynkw produkcyjnych oraz maga-

zynowych przedstawiono w tabl. 3. Naley zwrci uwag, e w tym przypadku przypo-

rzdkowanie klasy odpornoci ogniowe OP zaley od maksymalnej gstoci obcienia

strefy poarowej, czyli rodzaju,iloci i rozmieszczenia potencjalnego paliwa.

Ustalenia odnoszce si do budynkw inwentarskich IN maj odmienny charakter.

Tab. 3. Wymagania klasy odpornoci poarowej (OP) budynkw produkcyjnych i ma-

gazynowych, wedug[15]

Obcienieogniowe,

MJ/m2

Budynki produkcyjne i magazynowe

jednokon-dygnacyjne

niskie rednio-wysokie

wysokie wysoko-ciowe

do 500 E D C B B

500-1000 D D C B B

1000-2000 C C C B B

2000-4000 B B B * *

pow. 4000 A A A * *

* nie mog wystpowa takie budynki

1.3. Podstawy projektowania konstrukcji

Bezpieczestwo poarowe stanowi jedn z kluczowych kwestii w projektowaniu

wspczesnych konstrukcji budowlanych. Pojcietookrela rodki zapobiegawcze, ma-

jce na celu zminimalizowanie prawdopodobiestwa i wpywu poaru, ktry moe po-

wodowa obraenia i by przyczyn mierci lub/i strat materialnych. Projektowanie ze

wzgldu na bezpieczestwo poarowe ma oglnie na celu ochron ycia ludzi, wcza-

jc w to osoby przebywajce w budynku i straakw, oraz zminimalizowanie zakce

w dziaalnoci przedsibiorstw, uszkodze budynku i mienia znajdujcego si we-

wntrz oraz jego otoczenia. Dlatego zgodnie z PN-EN 1990 [7] w ocenie stanu gra-

nicznego nonoci, analizujc kryteria zwizane z katastrof lub zniszczeniem,naley

zapewni konstrukcji wytrzymao nie tylko na oddziaywania od ciaru wasnego,

obcie klimatycznych, technologicznych itp., ale take poaru.

Wedug PN-EN 1990 [7] obliczenia termiczno-statyczno-wytrzymaociowe odporno-

ci ogniowejkonstrukcji naley przeprowadza na podstawie scenariuszy poarowych,

uwzgldniajc modele zmian temperatury wewntrz strefy poarowej. Naley spraw-

dzi zachowanie si konstrukcji, jej podzespow lub elementww warunkach poaru,

przyjmujcnierwnomierny lub rwnomierny rozkad temperatury w przekrojach lub na


11/65

11

ich dugoci. Mona analizowa wytenie elementw wydzielonych z konstrukcji lub

te bada ich wspdziaanie w warunkach oddziaywania poaru.

Oddziaywanie temperatury w czasie poaruna konstrukcje jest traktowane w PN-

EN 1990 [7]jako wyjtkowasytuacja projektowa. Oznacza to, e w ustaleniu wyjt-

kowej kombinacji oddziaywa w trakcie poaru rozpatruje si te oddziaywania, ktre

s uwzgldniane w kombinacjach podstawowych i to tylko takie, ktre s moliwe do

zaistnienia w trakcie poaru. Nie uwzgldnia si cznego wystpowania w wyjtkowej

kombinacji poarowej innego oddziaywania o charakterze wyjtkowym, oprcz oddzia-

ywa zwizanych z zaistnieniem poaru. W stanie granicznym nonoci, obliczeniowe

efekty oddziaywad

E w konstrukcji w trakcie poaru wyznacza si ze wzoru

1 1

,,01,21, "")lub(""""""j i

ikikdkjkd QQAPGE , (1)

gdzie:

jkG , charakterystyczne oddziaywanie stae j ,

kP charakterystyczne oddziaywaniesprajce,

dA charakterystyczne oddziaywaniewyjtkowe (poarowe),

ikQ , charakterystyczne oddziaywaniezmienne i ,

1,1 , 2,1 wspczynnik do okrelenia wartoci kombinacji obcie zmiennych

odpowiednio czstych (1) i prawie staych (2),

"" oznacza naley uwzgldniw kombinacji z,

oznacza czny efekt oddziaywa.Parametry wspczynnikw i oddziaywa charakterystycznych we wzorze (1) poda-

no w PN-EN 1990 [7] oraz PN-EN 1991 [8].

1.4. Oddziaywania na konstrukcje w warunkach poaru wedug PN-EN 1991-1-2

W PN-EN 1991-1-2 [8] podano oglne zasady ustalania oddziaywa w warunkach

poaru. Projektowanie konstrukcji na warunki poarowe obejmuje nastpujce etapy:

wybr waciwych scenariuszy poarowych,

ustalenie odpowiadajcych im poarw obliczeniowych,

obliczenia przebiegu temperatury w elementach konstrukcyjnych,

obliczenia mechanicznego zachowania si konstrukcji poddanej oddziaywaniu ter-

micznemu podczas poaru.


12/65

12

Scenariusz poarowy powinien uwzgldnia zachowanie si caej konstrukcji, jej

podzespou lub elementu w warunkach poaru, a take uwzgldnia model zmiany

temperatury wewntrz obiektu. Dlatego w jego identyfikacji naley bra pod uwag

czynniki wpywajce na przebieg poaru,jak na przykad rodzaj materiaw wypeniaj-

cych, izolujcych czy tewyposaenia obiektu.

Zgodnie z PN-EN 1991-1-2 [8] w praktycznych obliczeniach naley analizowa mo-

dele, odnoszce si do jednej strefy poarowej (jednego pomieszczenia wydzielonego

ogniowo). Na rys. 4 przedstawiono przykad scenariuszy poarowych magazynowane-

go budynku parterowego. W tej picionawowej hali zastosowano 2 ciany przeciwpoa-

rowe, wydzielajc w ten sposb 3 strefy poarowe (rys. 4a). W analizowanym przypad-

ku naley rozpatrze 3 scenariusze wystpienia poaru: w strefie 1 (rys. 4b), w strefie 2

(rys. 4c) oraz w strefie 3 (rys. 4d).

Rys. 4. Scenariusze poarowe hali picionawowej z 3 strefami poarowymi [17]

Stosowane w analizie modele poarw obliczeniowych zale od przyjtych scena-

riuszy poarowych(od moliwoci rozgorzenia poaru). Stosuje si modele:


13/65

13

poaru lokalnego, gdy rozgorzenie jest mao prawdopodobne, w ktrych przyjmuje si

nierwnomierny rozkad temperatury w funkcji czasu (metodobliczania oddziaywa

termicznych poaru lokalnego podano w Zaczniku C),

poaru strefowego, w ktrym przyjmowany jest rwnomierny rozkad temperatury w

funkcji czasu (metodobliczania temperatury gazu podano w Zaczniku A i B - od-

powiednio dla elementw wewntrznychi zewntrznychstrefy poarowej,

zaawansowane modele poaru, w ktrych uwzgldniane s fizyczne waciwociga-

zu, a take wymiana masy i energii podczas procesu spalania (metody obliczania od-

dziaywa termicznych w jednostrefowych scenariuszach poaru, poarze dwustrefo-

wym i w modelach numerycznych, uwzgldniajcych przebieg zjawisk w czasoprze-

strzeni, opisano w Zaczniku D, metod za okrelenia wartoci obliczeniowej g-

stoci obcienia ogniowego i szybkoci wydzielania ciepa podano w Zaczniku E).

Zacznik F dotyczy okrelania rwnowanego czasu oddziaywania poaru. Zacz-

nik G omawia zasady przyjmowania wspczynnikw konfiguracji.

W analizie konstrukcji oddziaywanie termiczne okrela strumie ciepa netto na po-

wierzchnie elementu, bdcy sum strumieni konwekcyjnego i radiacyjnego. Tempera-

tur gazu przy spalaniu przyjmuje si na podstawie: nominalnych krzywych temperatu-

ra - czas lub parametrycznych krzywych temperatura- czas. W przypadku krzywych

nominalnych rozrnia si krzyw standardow temperatura- czas (przyjto, e tem-

peratura jest funkcj niemalejc czasu jak dla poaru rozwinitego), krzyw poaru

zewntrznego oraz krzyw wglowodorow(rys. 5).

Rys. 5. Krzywe poaru rzeczywistego, standardowego, wglowodorowego i zewntrznego


14/65

14

Nominalne krzywe zalenoci temperatura gazw spalinowych temperatura - czas

fig t , zdefiniowano w nastpujcy sposb:

poar standardowy (poar standardowy wedug ISO 834-1995)

)18(

10log34520

t

g e , (2)

poar zewntrzny (poar mniej gwatowny od w/w, zwizany z wydostawaniem si

ognia na zewntrz budynku i oddziaujcy na elewacje budynkw)

20)313,0687,01(660 8,332,0 ttg

ee , (3)

poar wglowodorowy paliw (w zbiornikach paliw, wieach wiertniczych paliw itp.; po-

ar przebiegajcy z reguy zwiksza intensywnoci)

20)675,0325,01(1080 5,2167,0 ttg

ee , (4)

gdzie:

g temperatura gazw w strefie poarowej [oC],

tczas [min].

Z analizy rys. 5 oraz (2)(4) wynika, e temperatura gazw spalinowychg

jest je-

dynie funkcj czasu i ronie monotonicznie (nie ma fazy stygnicia).

1.5. Metody projektowania konstrukcji na warunki poarowe wedug Eurokodw

Inynieria poarowa konstrukcji i elementw konstrukcyjnychjest dyscyplin, ktradoty-

czy analizy ich zachowania siw warunkach poaru. Zgodnie z postanowieniami Euroko-

dw budynki na warunki poarowe mona projektowa za pomoc metody tradycyjnej

lub metody opartej na waciwociach(wwczaszastosowanie maj zasady inynierii

poarowejelementw konstrukcyjnych).

Procedura projektowania sposobem tradycyjnym jest oparta na analizie oddziaywa

termicznych wywoanych poarem standardowym [8], opisanym gstoci strumienia

ciepa dziaajcego na elementy konstrukcji. W procedurze obliczeniowej opartej na

waciwociach uwzgldnia si cechy uytkowe pomieszcze i analizuje si oddziay-

wania termiczne konstrukcji na podstawie przesanek o podou fizycznym. W projek-

towaniu mona analizowa zachowanie si w poarze: elementu, podzespou kon-

strukcji lub caego ustroju nonego budynku - posugujc si danymi tabelarycznymi lub

prostymi, albo zaawansowanymi modelami obliczeniowymi. W przypadku izolowanych

elementw lub czci konstrukcji wykorzystuje si gwnie dane tabelaryczne i proste


15/65

15

modele obliczeniowe. Natomiast zaawansowane modele obliczeniowe s stosowane w

analizach oceny bezpieczestwa poarowego caych konstrukcji.

Najczciej metod tradycyjn oceny bezpieczestwa poarowegowykorzystuje si

w celu spenienia standardowychwymaga dotyczcych ognioodpornoci, okrelonych

w przepisach przeciwpoarowych. Stosuje si j zwykle w projektowaniu stosunkowo

prostych budynkw i potrzebny poziom bezpieczestwa jest relatywnie atwy do osi-

gnicia i wdroenia.Zadaniem projektanta jest taki dobr rodkw ochrony przeciwpo-

arowej, w szczeglnoci paramentw izolacji termicznej chronicej konstrukcj przed

dziaaniem ognia, by uzyska zadawalajc (wysz od wymaganej) wartojej ognio-

odpornoci. Metoda tradycyjnaogranicza si wic do prostego wyboru rodkw ognioi-

zolujcych (posikujc si jedynie dostpnymi ofertami materiaw w tym zakresie).

Wwczas nie przeprowadza si adnej dodatkowej analizy obliczeniowej oceniajcejzachowanie si elementu w poarze. W tym przypadkuproducent wyrobu ogniochron-

nego niejako gwarantuje, e zastosowanie danego typu izolacji(o odpowiednich para-

metrach np. gruboci) umoliwia uzyskanie danej ognioodpornoci. Rezultat takiego

projektowania nie zawsze jednak mona uzna za wiarygodny, gdy nie uwzgldnia si

np. swobody odksztace termicznych - stopnia skrpowania elementukonstrukcyj-

nego. Ponadto w wielu przypadkach taki sposb projektowania moe by zbyt zacho-

wawczy, poniewaw celu zapewnienia wymaganej ognioodpornoci budowli wymagaon zastosowania istotnej (w wielu przypadkach kosztochonnej)biernej ochrony prze-

ciwpoarowej. Dlatego zblion do obiektywnej ocenognioodpornoci budowli mona

uzyska na podstawiejej odrbnej analizy termiczno-statyczno-wytrzymaociowej (wg

metody opartej na waciwociach).

W ostatnich latach, dla poszczeglnych typw konstrukcji (betonowych, stalowych,

zespolonych stalowo-betonowych, murowych, drewnianych i aluminiowych) opracowa-

no ujednolicone zasady projektowania na wypadek wystpienia poaru. S to wydzie-lone czci odpowiednich Eurokodw: oddziaywa [8] oraz konstrukcyjnych [9][14], w

ktrych podano zasady prowadzenia analizy termiczno-statyczno-wytrzymaociowej

budowli (wedugmetody opartej na waciwociach). Umoliwia ona ocen wymaganej

ognioodpornoci konstrukcji, w celu unikniciarozprzestrzeniania si poaru i/lub w ce-

lu zapobiegania przedwczesnemu zniszczeniu konstrukcji. W przypadku budynkw ich

gwn konstrukcj mona zaprojektowa tak, aby zachowaa stateczno w warun-

kach poaru na tyle dugo, by osoby przebywajce w budynku mogysi ewakuowa.

Ta metoda uwzgldnia intensywno oddziaywania poaruprzez odpowiednie osza-


16/65

16

cowanie rzeczywistych obcie ogniowych i parametrwrozwoju poaru, ktre mona

obliczy w oparciu o funkcj i sposb uytkowania budynku [8]. Umoliwia ona ela-

styczno w wyborze rozwizatechnicznych w celu spenienia wymaga ognioodpor-

noci budowli, ale zazwyczaj wymaga uycia zaawansowanych narzdzi projektowych.

Ponadto projektanci stosujcy tezaawansowane modele obliczeniowe muszby od-

powiednio wyszkoleni w zakresie ich zastosowania i ogranicze. Inynieria bezpie-

czestwa poarowego umoliwia wysoce efektywne projektowanie z niewielk rezerw

nonoci. Dlatego w tym przypadku wymagane s wysokie kwalifikacje projektanta

(gwarantujce, e w opracowaniu projektu zastosowano w analizie odpowiednie mode-

le).Ponadto w niektrych krajach Unii Europejskiejprzepisy przeciwpoarowe daj,

aby projekt z uwagi na warunki poarowe by weryfikowany przez osob trzeci.

Waciwoci poarowe konstrukcji lub jej elementu s okrelane przezwykonanie w

przypadku badanego obliczeniowego scenariusza poaru, 3 kolejnych krokw anali-

tyczno-obliczeniowych konstrukcji:

analiza poaru(ustalenie oddziaywa termicznych- model poaru),

analiza termiczna (okrelenie szybkoci ogrzewania i temperatur elementw kon-

strukcyjnych - model termiczny),

analiza konstrukcyjna (obliczania odpowiedzi mechanicznej elementwkonstrukcyj-

nych - model konstrukcyjny).

Stosowane metody projektowe do oceny waciwoci poarowychkonstrukcji obej-

muj zakres: od prostych oblicze wykonywanych rcznie, do korzystania z zaawan-

sowanych programwkomputerowych. Zoonotakiego projektu zaley od zaoe i

metod przyjtych do przewidywania kadegoz w/w 3 etapw projektowania.

Na podstawie uzyskanych pl temperatury w elementachnonych ikombinacji od-

dziaywa w warunkach poaru mona oceni zachowanie konstrukcji (rys. 6) za po-

moc jednejz 3 moliwych metod: analiza elementu - model 1D, w ktrej kady element nony(np. prt)jest oceniony

jako cakowicie oddzielony od innych czci konstrukcji budynku (warunki po-

czenia z innymi elementami zastpuje siodpowiednimi warunkami brzegowymi),

analiza czci konstrukcji- model 2D, w ktrej fragment konstrukcji (np. rama) jest

uwzgldniony w ocenie (przez zastosowanie odpowiednich warunkwbrzegowych,

tak aby odzwierciedli jej powizania z innymi czciami konstrukcji),

globalna analiza konstrukcji - model 3D, w ktrej ocenia si cakonstrukcjbudyn-ku (rys. 7).


17/65

17

Stosunkowo prosta i atwa w zastosowaniu jest analiza elementu (model 1D),

zwaszcza z uproszczonymi metodami obliczeniowymi. Analiza caej konstrukcji (model

3D) lub jej podzespow (model 2D) uwzgldnia cznie co najmniej kilka elementw

konstrukcyjnych, tak aby bezporednio uwzgldni wpyw interakcji midzy nimi. W ta-

kich analizach mona dokadnie uwzgldni przeniesienie obcienia z podgrzanych

(osabionych) czci wewntrz strefy poarowej, na bardziej wytrzymae czci chodne

poza stref poarow. Z tego wzgldu analiza globalna umoliwia znacznie lepsze zro-

zumienie oglnego zachowania konstrukcji w warunkach poaru. Przykad trjwymia-

rowej, analizy globalnej hali o konstrukcji stalowej pokazano na rys. 7.

Rys. 6. Metody projektowe do okrelania odpowiedzi mechanicznej konstrukcji w wa-

runkach poaru[17]

Rys. 7. Przykad trjwymiarowej analizy globalnej (model 3D) hali stalowej [17]


18/65

18

W podsumowaniu naley stwierdzi, e zgodnie z Eurokodami projekt uwzgldnia-

jcy warunki poarowe budynku mona wykona za pomoc:

Prostej metody opartej na podstawie danych tabelarycznych np. zamieszczonych w

PN-EN 1994-1-2 [11], ktrstosuje si jedynie w przypadku zespolonych konstrukcji

stalowo-betonowych. Tabele w [11] podano dla pyt, belek i supw,przy zaoeniu

pewnego czasu ognioodpornoci, ogrzewania wedug krzywej poaru nominalnego

oraz okrelonego poziomu obcienia. Wyznaczono je za pomoc modeli numerycz-

nych i bada dowiadczalnych. Te tabele s proste i bezpieczne w zastosowaniu.

Obejmuj jednak onetylko ograniczony zakres rodzajw konstrukcji i ksztatownikw.

Prostych metod obliczeniowych, ktre mona podzieli na dwie grupy. Pierwsza to

metoda temperatury krytycznej. Jest ona powszechnie stosowana w analizie stalo-

wych elementw konstrukcyjnych.W drugiej stosuje si proste modele mechaniczne i

przeprowadza si weryfikacj nonoci konstrukcji. Te metody opracowano w celu

analizy bezpieczestwa poarowego typowych elementw konstrukcyjnych (np. pyt,

belek i supw) zarwno stalowych,jak i zespolonych.

Zaawansowane modele obliczeniowe, ktre maj zastosowanie w przypadku wszyst-

kich rodzajw konstrukcji i umoliwiaj ich realistyczn analiz termiczno-statyczno-

wytrzymaociow. Wyniki tej analizy s zazwyczaj uzyskiwane w postaci odksztace

konstrukcji podczas caego okresu poaru. Zaawansowane modele obliczenioweprzeprowadza si MES i korzysta z programw komputerowych.

2. Zabezpieczenia ognioochronne konstrukcji stalowych

2.1. Waciwoci mechaniczne stali wglowych w podwyszonej temperaturze

W ocenie odpornoci ogniowej konstrukcji bada si jej stan graniczny nonoci og-

niowej R, ktry polega na zniszczeniu materiau lub przekroczeniu dopuszcza lnych

wartoci odksztace [7]. Najwaniejszym elementem tej analizy jest wic okrelenie

punktu granicznego, ktrego nie mog przekroczy elementy konstrukcji, gdy ich na-

stpstwem s nieodwracalne dla budowli konsekwencje dotyczce bezpieczestwa.

Stal jest materiaem konstrukcyjnym, ktrego waciwoci ulegaj bardzo duym

zmianom w warunkach oddziaywania poaru. Niezabezpieczone ognioochronnie

ksztatowniki stalowe ju po 1015 minutach nagrzewania w warunkach poaru stan-

dardowego [8] osigaj temperatur okoo 700oC. W tej temperaturze nastpuje spa-

dek wytrzymaoci stali do poziomu okoo 23% jej wytrzymaoci w temperaturze nor-


19/65

19

malnej (a take nastpuje zmniejszenie moduu sprystoci podunej o 83% w sto-

sunku do tego parametru w temperaturze normalnej) co w konsekwencji prowadzi do

wyczerpania nonoci elementw konstrukcyjnych. Zmian waciwoci mechanicz-

nych stali w podwyszonych temperaturach pokazano na rys. 8.

Rys. 8. Zmiana waciwoci mechanicznych stali w podwyszonych temperaturach

Analizuj rys. 8 naley zwrci uwag, e granica plastycznoci stali w temperaturze

400oC zmniejsza si o okoo 33%. Wwczas nono elementu stalowego pod obci-

eniem normowym zostaje cakowicie wyczerpana. Natomiast w tej temperaturzewspczynnik sprystoci podunej zmniejsza si o okoo 20%, powodujc spadek

sztywnoci EIelementw zginanych i ciskanych, co prowadzi do wzrostu ich ugi

lub spadku nonoci krytycznej niestatecznoci oglnej i miejscowej.

W zalenoci od iloci i rodzaju palcych si materiaw w pomieszczeniu oraz in-

tensywnoci odpywu spalin i waciwoci termoizolacyjnych przegrd, temperatura

spalin podczas poaru w obiekcie moe wynosi od 800 do 1600oC. Czas nagrzewania

si nieosonitych elementw stalowych dotemperatury krytycznej ( C800500 o, cra ),

w ktrej trac one prawie cakowicie swoj nono (gdy obcienie konstrukcji jest

rwne normatywnemu)wynosi od kilku do kilkunastu minut.

Popraw bezpieczestwa poarowego obiektw o stalowej konstrukcji nonej otrzy-

muje si przez dziaania prewencyjne, jak i zastosowanie rodkw ochrony czynnej

(urzdze monitorujcych i alarmowych oraz instalacji ganiczych), a przede wszystkim

rodkw ochrony biernej (odpowiednich rozwiza konstrukcyjnych)ktre ograniczaj

skutki oddziaywania termicznego wystpujcego w trakciepoaru lub/i ograniczajce-

go jego rozpowszechnianie oraz zasig.


20/65

20

2.2. Zachowanie si elementw stalowych bez izolacji termicznejw warunkach

poaru

Szybko nagrzewania si elementu stalowego zaley gwnie od jego stosunku po-

la powierzchni nieosonitej ]m[ 2mA do objtoci ]m[ 3V na jednostk dugoci (rys.

9). Wielko ]m[/ -1VAm nazywa siwskanikiem ekspozycji przekroju (lub wskani-

kiem masywnoci przekroju)i jest parametrem miary szybkoci nagrzewania si stalo-

wego elementu nieosonitego.

Rys. 9. Przykady wskanika ekspozycji nieosonitych elementw stalowych

Rys. 10. Temperatury nieosonitych elementw stalowych po 15 i 30 minutach oddziay-

wania poaru standardowego, w funkcji ich wskanikw ekspozycji ]m[)/( -1VAk msh [17]


21/65

21

Na rys. 10 pokazano wykresy temperatury nieosonitych elementw stalowych po

15 i 30 minutach oddziaywania poaru standardowego ISO [4] w funkcji wskanika

ekspozycji )/( VAk msh [17]. Z analizy tych wykresw wynika, e wikszy wskanik eks-

pozycji przekroju prowadzi do szybszego nagrzewania si elementu stalowego. Na

przykad po 15 minutach poddawania oddziaywaniu poaru, temperatura nieosonite-

go elementu stalowego o wskaniku ekspozycji -1m200/ VAm

wzrasta do okoo

680oC, podczas, gdy temperatura elementu nieosonitego o wskaniku ekspozycji

-1m100/ VA

m osiga tylko 565oC. Ta rnica wynika z faktu, e wysoka warto

wskanika ekspozycji przekroju oznacza du powierzchni nieosonit w odniesieniu

do jej objtoci i ten element otrzymuje wicej ciepa ni element o niskim wskaniku imaej powierzchni nieosonitej.

Nagrzewanie niezabezpieczonych elementw stalowych mona wyznaczy za po-

moc prostej metody analitycznej podanej w PN-EN1993-1-2 [10], w ktrej wzrost tem-

peratury zaley od oddziaywa termicznych (wyraonych w postaci strumieni ciepa

netto), waciwoci termicznych stali orazwskanika ekspozycji VAm/ . Ocen wzrostu

temperatury w nieosonitych elementach stalowych przedstawiono m.in. w [5].

2.3. Zachowanie si elementw stalowych izolowanych termiczniew warunkach

poaru

W odrnieniu od elbetowych i drewnianych, konstrukcje stalowe stosunkowo

szybko osigaj w warunkach poaru wysokie wartoci temperatury w caym przekroju.

Na przykad temperatura nieizolowanego dwuteownika IPE 300, osiga po 15 minutach

okoo 670oC. Mona jednoznacznie stwierdzi, e poza nielicznymi wyjtkami elementy

konstrukcji stalowych maj bardzo ma nono ogniow R. Dlatego w projektowaniu

kadej konstrukcji stalowej, dla ktrej jest wymagana choby najmniejsza nono og-

niowa R, naley zastosowa rodki, ktre spowoduj ograniczenie ryzyka wystpienia

zagroenia, tzn. uy odpowiednie zabezpieczenia przeciwpoarowe, ktre zagwaran-

tuj waciw wytrzymao obiektu w warunkach poaru.

W przewaajcej wikszoci przypadkw zachodzi konieczno wyduenia czasu

dochodzenia konstrukcji do temperatury krytycznej, czyli zwikszenia odpornoci og-

niowej przez stosowanie oson ognioizolacyjnych (biernej ochrony przeciwpoarowej).

W przypadku elementu osonitego wskanik masywnoci przekroju przyjmuje si jako


22/65

22

parametr ]m[/ -1VAp . Jest to iloraz powierzchni ]m[ 2

pA mierzonej po wewntrznym

obwodzie izolacji ogniochronnej na jednostk dugocido objtoci elementu stalowe-

go ]m[ 3V na jednostk dugoci. Na rys. 11 podano zalenoci suce do obliczania

wskanikw masywnoci przekrojw elementw stalowych zabezpieczonych ogniowo.

Rys. 11. Przykady wskanikw ekspozycji osonitych elementw stalowych

Materiay ognioizolacyjne mog mie form ukadw konturowych (o obrysie kszta-

townika stalowego rys. 11a, c), skrzynkowych (obudowujcych ksztatownik stalowy

w postaci skrzynki rys. 11b, d) lub powierzchniowych (ciany lub sufity izolujce

grupowo ksztatowniki stalowe). Realizuje si je w postaci powok natryskowych z: w-

kien mineralnych, wermikulitu i cementu, perlitu, wermikulitu (lub perlitu) i cementu, we-

rmikulitu (lub perlitu) i gipsu, wermikulitu (lub perlitu) i cementu, oraz pyt z: wkna

krzemianowego, wkna krzemianu wapnia, cementu wknistego, gipsu, prasowanych

wkien krzemianowych i weny mineralnej. Charakterystyk termiczn materiaw

ogniochronnych na og wyznacza si na podstawie bada ogniowych prowadzanych

w warunkach poaru standardowego [4]. Te wartoci rednie pochodz z bada o g-

niowych przeprowadzanych przez producentw tychmateriaw.

Zgodnie z Eurokodami do oceny ognioodpornoci konstrukcji stalowych mona sto-

sowa metod temperatury krytycznej. Oblicza si j wg PN-EN1993 [10] uwzgldnia-

jc wytenie elementu stalowego od przyoonych oddziaywa w warunkach tempe-

ratury normalnej i utraty wytrzymaoci stali w podwyszonej temperaturze. Temperatu-

ra krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnego cra, , (przy danym poziomie jego ob-

cienia i poddanemu rwnomiernemu rozkadowi oddziaywania temperatury),jest to

temperatura przy ktrej przyjmuje si, e ulega on zniszczeniu.Ognioodporno ele-


23/65

23

mentu stalowego (w ktrym nie wystpuje lokalna utrata statecznoci cianki przekroju)

jest zapewniona po czasie t, jeeli temperatura stalita,

nie przekracza jej temperatury

krytycznej cra, . Temperatura krytyczna elementw stalowycho przekrojach klasy 1, 2

oraz 3 na og wynosi C800500 o

, cra . W odniesieniu do ksztatownikw stalowych o

przekrojach klasy 4 naley stosowa zachowawcz temperatur krytyczn

C350 o, cra . Ocen ognioodpornoci stalowych elementw konstrukcyjnych metod

temperatury krytycznej przedstawiono w pkt. 3.3.

W PN-EN 1993-1-2 [10] podano te prost metod obliczeniow oceny nagrzewania

si stalowych elementw izolowanych za pomoc materiaw biernej ochrony przeciw-

poarowej. W takich przypadkach wzrost temperatury zaley od wskanika masywno-

ci przekroju stalowegoelementu izolowanego VAp/ i charakterystyk waciwoci ma-

teriau izolacyjnych. W sytuacjach projektowych, znajomo temperatury krytycznej

cra, , wskanika masywnoci przekroju VAp/ oraz wymaganego czasu ognioodporno-

ci umoliwia okrelenie gruboci warstwy ognioochronnej (powoki nakadanej natry-

skowo, pyty ochronnej, powoki przeciwogniowej). Naley stosowa wycznie wyroby

ogniochronne zbadane i ocenione w ramach standardowych bada ogniowych, prze-

prowadzonych wg zalece normy europejskiej EN 13881. Przykad wykresu dotycz-

cego zabezpieczenia przeciwogniowego pytami pokazano na rys. 12 [7].

Rys. 12. Przykadowy wykres dotyczcy zabezpieczenia przeciwogniowego pytami [17]


24/65

24

Wymagan grubo warstwy ochronnej elementu stalowego mona zwykle okrelina

podstawie danych publikowanych przez producentw tych wyrobw (w formie tabel lub

wykresw). Najczciej dane te odnosz grubo warstwy materiau ogniochronnego

do wskanika masywnoci przekroju elementu stalowego VAp/ , temperatury krytycz-

nej cra, i wymaganego czasu ognioodpornoci.

2.4. Sposoby zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowych

W celu umoliwienia ewakuacji ludzi z budynku objtego poarem, ograniczenia

skutkw dziaania ognia w stosunku do wyposaenia obiektu i ograniczenia zakresu

zniszczenia konstrukcji, stosuje si izolacje ognioochronne elementw konstrukcyjnych

lub ich chodzenie (automatycznymi spryskiwaczami) w poczeniu z instalacj wykry-

waczy poaru (montaem czujnikw i alarmw umoliwiajcych wykrycie ognia lub dy-

mu i stumienie poaru w jego najwczeniejszej fazie zaponu), ekranw i klap dymo-

wych.

Chodzenie polega na ograniczeniu efektu dziaania wysokiej temperatury poaru za

pomoc spryskiwania wod stalowej konstrukcji nonej. To rozwizanie wymaga od-

powiednich rurowych instalacji wodnych oraz pomp. Std jest rzadko stosowane.

W celu spowolnienia tempa nagrzewania si konstrukcji stalowej, a co za tym idzie

zapewnienia wymaganej ognioodpornoci, stosuje si biern ochron przeciwpoaro-

w. Mona w tym celu wykorzysta kilka dostpnych systemw. Izolowanie ognioo-

chronne elementw stalowej konstrukcji nonej polega na:

oddzieleniu jej od stref naraonych na poar, lub /i

zabezpieczeniu pojedynczych elementw.

Do pierwszej grupy naley zaliczy zabezpieczenia powierzchniowe (grupowe) po-

ziome (np. sufity podwieszone) lub pionowe (np. ciany oddzielajce rys. 13, 17), a

take sytuowanie elementw nonych poza obrysem budynku (rys. 14).

Przykad budynku z zewntrzn stalow konstrukcj non niezabezpieczon prze-

ciwogniowo pokazano na rys. 14. W niektrych przypadkach gwne elementy kon-

strukcji nonej budynku (supy, belki, stenia) mona umieci poza zewntrzn prze-

grod budynku. Pozwala to unikn potrzeby zapewnienia jej ochronyprzeciwpoaro-

wej, gdy wymagania ognioochronnoci zewntrznej stalowej konstrukcji nonej s

znaczco mniejsze ni w przypadku wewntrznego ustroju nonego. Jest ona narao-

na wycznie na dziaanie pomieni wydostajcych si z otworw oraz poncych ele-


25/65

25

mentw budynku, i jej temperatura jest nisza w porwnaniu z temperatur konstrukcji

wewntrz strefy poarowej. Do dodatkowego obnienia temperatury konstrukcji przy-

czynia si te jej kontakt z powietrzem otoczenia.

Rys. 13. Przykad usytuowania cian przeciwpoarowych w stosunku do stalowych ram

w parterowym budynku halowym [17]

Rys. 14. Przykad budynku z zewntrzn stalow konstrukcj non niezabezpieczonprzeciwogniowo [17]


26/65

26

W drugiej grupie rodkw ogniochronnych stalowe konstrukcje none monawyr-

ni izolacje pasywne termicznie (masy natryskowe i okadziny pytowe, a take zabez-

pieczenia hybrydowe polegajce na poczeniu okadzin pytowych i mas natrysko-

wych) oraz izolacje aktywne termicznie (powoki pczniejce i powoki absorpcyjne). Ich

sposb dziaania jest bardzo rny np. charakteryzuje je may wspczynnik przenika-

nia ciepa; maj du wilgotno; zmieniaj swe rozmiary pod wpywem wzrostu tempe-

ratury, co wpywa korzystnie na zmian wskanika masywnoci przekroju (np. pcznie-

nie powoki); cechuje je dua pojemno cieplna.

Rne s rodzaje i efektywnoci dziaania powok (otulin) ognioochronnych, sposoby

ich zamocowania na elemencie oraz skutecznoci, ale za kadym razem ich zadaniem

jest minimalizacja przyrostu temperatury chronionego elementu. Bardzo wanymi pa-

rametrami powok ochronnych jest ich wspczynnik przejmowania ciepa, ciepo wa-

ciwe i przewodno ciepln. To dziki nim stal nabiera cech odpornoci ogniowej i

moe by bezpiecznie stosowana jako materia konstrukcyjny w budownictwie.

2.5. Systemy zabezpiecze ogniochronnych konstrukcji stalowych

Do biernej ochrony przeciwpoarowej konstrukcji stalowych stosuje si materiay

termicznie pasywne i reaktywne. Materiay zabezpieczajce pasywne termicznie (nie-

reaktywne) poddane dziaaniu ognia nie zmieniaj swoich waciwoci. Do najpopular-

niejszych materiaw niereaktywnych nale powoki natryskowe i pyty. Natomiast ma-

teriay zabezpieczajce reaktywne termicznie charakteryzuje zmiana waciwoci w

wyniku poddania dziaaniu wysokiej temperatury w trakcie poaru. Najbardziej znanym

przykadem tego typu zabezpiecze s przeciwogniowe powoki pczniejce.

2.6. rodki pasywne termicznie

Nakadane natryskowo powoki przeciwpoarowe (s jedn z najpowszechniejszych

technologii zabezpieczenia) stosuje si jako wyroby o warstwie grubej lub warstwie

cienkiej.

W przypadku powok grubowarstwowych rozpylany wyrb ma konsystencj wkn i-

st bd gstej pasty i jest natryskiwany bezporednio na stalow konstrukcj (rys. 15).

W ich skad wchodz najczciej wkna mineralne, wermikulit, uel lub gips oraz

substancja wica (spoiwo). W zalenoci od jej rodzaju wyrnia si powoki natry-

skowe na bazie spoiwa:


27/65

27

cementowego z wypeniaczami w postaci granulowanej weny skalnej, kruszywa oraz

dodatkw,

cementowego z wypeniaczem w postaci kruszywa wermikulitowego oraz dodatkw,

cementowego i gipsowego z wypeniaczem w postaci wkien mineralnych (bez

azbestu i wermikulitu) oraz dodatkw,

spoiwa gipsowego z wypeniaczami w postaci granulowanej wenyskalnej lub weny

mineralnej i kruszywa perlitowego oraz dodatkw.

Rys. 15. Natryskowe nakadanie niereaktywnej powoki ognioochronnej na konstrukcj

stalow [17]

Masa ogniochronna musi charakteryzowa si moliwie nisk przewodnoci ciep l-

n i stabilnoci w wysokiej temperaturze. Nakada si j na konstrukcj stalow w sta-nie pynnym, za pomoc specjalnych urzdze (agregatu natryskowego z transportem

pneumatycznym mieszanki). Czasem konieczne jest naoenie kilku warstw, co wydu-

a czas schnicia. Ognioochronne masy natryskowe po stwardnieniu i wyschniciu

powinny mie gsto powyej 3kg/m250 , jednak niezbyt wysok (do 3kg/m700 ).

Przed naoeniem masy ognioochronnej powierzchnie elementw stalowych powinny

by zabezpieczone powokami antykorozyjnymi. Izolacje natryskowe stosuje si gow-

nie jako konturowe tj. na caym obwodzie zabezpieczanego ksztatownika (rys. 11a, c),lub w przypadku przekrojw prtw wielogaziowych w postaci zamknitych skrzynek.


28/65

28

Masy natryskowe s przygotowywane i nanoszone wedug technologii:

suchejprzygotowana fabrycznie sucha mieszanka, jest transportowana pneuma-

tycznie i mieszana z wod lub ciekym spoiwem u wylotu kocwki agregatu natry-

skowego, lub

mokrejprzygotowana fabrycznie sucha mieszanka jest zarabiana wod, a jej na-

noszenie na elementy stalowe odbywa si mechanicznie za pomoc agregatw pom-

powo-natryskowych w sposb zbliony do mechanicznych prac tynkarskich.

Izolacje ogniochronne z mas natryskowych stosowane s zwykle o gruboci

mm6015 . W celu zapewnienia odpowiedniej przyczepnoci i trwaoci tych zabez-

piecze stosuje si odpowiednie podkady zapewniajce przyczepno natrysku do

powierzchni stali lub wykonuje si siatkowanie zabezpieczanych ksztatownikw.Tech-

nologia natryskowa wie si z zabrudzeniami i zamoczeniem otoczenia, co jest ch a-

rakterystyczne w przypadku procesw mokrych. Natrysk ogniochronny w zalenoci od

gruboci wykonywany jest w jednej lub kilku warstwach, najczciej s to 2 lub 3 wa r-

stwy. Masy natryskowe pozwalaj zabezpieczy ogniochronnie elementy konstrukcji

stalowych w klasach R 15R 240.

Ogniochronne zabezpieczenia pytowe polegaj na obudowaniu (najczciej w

ksztacie skrzynek - rys. 11b, d) elementw konstrukcji stalowej za pomoc pyt (rys.

16).

Rys. 16. Przykady pytowych zabezpiecze ognioochronnych ksztatownikw stalo-

wych: 1 - element termoizolacyjny, 2 - cznik, 3 - ksztatownik stalowy

Stosowane s pyty z wermikulitu, miki, weny mineralnej, pyty gipsowo-kartonowe,rnego rodzaju pyty na spoiwie gipsowym, cementowym, cementowo-wapiennym ze


29/65

29

zbrojeniem rozproszonym najczciej z wkien szklanych oraz z rnego rodzaju wy-

peniaczami. W tym przypadku ograniczenie oddziaywania strumienia cieplnego wywo-

anego przez poar zapewnia zamknita obudowa oraz waciwoci termoizolacyjne

tych pyt. Pyty termoizolacyjne s dostpne w szerokim zakresie gruboci i umoliwiaj

uzyska ognioodporno w klasach R 30R 120.

Pyty s mocowane do konstrukcji stalowej mechanicznie (za pomoc rub, czni-

kw, tam i ksztatownikw stalowych lub przyklejane i unieruchomiane kokami). Nie

mona ich w atwy sposb przytwierdzi do elementw o zoonych ksztatach. Zazwy-

czaj, s one droszym rozwizaniem ni masy natryskowe lub powoki ogn ioochronne.

Ponadto czas montau pyt jest znacznie duszy w porwnaniu z czasem nakadania

powok ognioochronnych, co powoduje zwikszenie kosztu inwestycji i wpywa te na

wyduenie czasu realizacji obiektu.

Stropy pomieszcze administracyjno-socjalnych zabezpiecza si najczciej za po-

moc sufitw podwieszanych. Wwczas w celu zabezpieczenia elementw poziomych

takich jak belki, podcigi, dwigary dachowe (penocienne lub kratowe) stosuje si

oddzielenie tych elementw stalowej konstrukcji nonej tzw. poziomymi zabezpiecze-

niami grupowymi. S to najczciej ogniochronne sufity podwieszone z pyt prasowanej

weny mineralnej, zbrojonych pyt gipsowo-kartonowych lub pyt na spoiwie gipsowym,

cementowym lub cementowo-wapiennym z rnego rodzaju wypeniaczami. Pytowezabezpieczenia ogniochronne czone s do elementw konstrukcji stalowej za pomo-

c klejenia lub pocze mechanicznych, albo przez poczenie klejenia oraz mocowa-

nia mechanicznego. S one docinane do odpowiednich wymiarw i czone ze sob

bezporednio na budowie, co w przypadku 2 lub 3 warstwowej obudowy przy stosowa-

niu wielu cznikw sprawia, i prace instalacyjne trwaj duej ni w przypadku stoso-

wania mas natryskowych. Jednak wygld obudowanych elementw stalowych jest es-

tetyczny i nie wymaga dodatkowego wykoczenia. Gsto pyt ze skalnej weny mine-ralnej wynosi okoo 3kg/m150 , a pyt gipsowo-kartonowych zbrojonych rozproszonym

wknem szklanym okoo 3kg/m800 .

Elementy pionowe, takie jak supy, mona zabezpiecza za pomoc m.in. przegrd

pionowych w postaci cian murowanych, betonowych lub lekkich cian warstwowych.

Stanowi one pionowe zabezpieczenie grupowe, ktre stosuje si w celu podziau np.

wielonawowej hali na strefy poarowe (patrz rys. 4, 13). Przykad rozwiza konstruk-

cyjnych cian przeciwpoarowych rwnolegych do portalowej ramy wielonawowej halio konstrukcji stalowej pokazano na rys. 17.


30/65

30

Rys. 17. Przykad rozwiza konstrukcyjnych cian przeciwpoarowych rwnolegych

do portalowej ramy wielonawowej hali o konstrukcji stalowej: a) zdwojenie

supw oraz cian przeciwpoarowych, b) zdwojenie supw ze cian prze-

ciwpoarow poczon za pomoc topliwych cigw, c) ciana przeciw-

poarowa umieszczona w osi supw [17]

2.7. rodki aktywne termicznie

Do najczciej stosowanych aktywnych termicznie zabezpiecze ogniochronnych

nale farby pczniejce. W przeciwiestwie do rodkw niereaktywnych, przeciwog-

niowe powoki aktywne reaguj na dziaanie wysokiej temperatury zmieniajc swoje

waciwoci, z pocztkowej postaci farby dekoracyjnej, na warstw termoizolacyjn.

Pod wpywem ciepa ich powoki pczniej, tworzc porowat piank ograniczajc

dopyw ciepa do stali (rys. 18, 19). Ognioochronne farby pczniejce s stosowane do

zabezpiecze konstrukcji stalowych, w ktrych wymagana jest klasa odpornoci ognio-

wej R 15R 60.

Pczniejce przeciwogniowe powoki ochronne przypominaj wygldem konwencjo-

nalne farby. Skadaj si one z nastpujcych warstw (rys. 18a):

gruntujcej (o gruboci m10040 ; podkad antykorozyjny, ktry przystosowuje pod-

oe do jak najlepszego jego poczenia z farb zasadnicz - przygotowuje podoe),

przeciwogniowej (o gruboci m4000300 ; zasadnicza powoka pczniejca, o wa-

ciwociach ogniochronnych) oraz


31/65

31

nawierzchniowej (o gruboci m12040 ; zwykle dostpnej w szerokiej gamie kolo-

rw; dziki niej chroniony element nabiera walorw estetycznych; ponadto jej zada-

niem jest ochrona powoki pczniejcej przed oddziaywaniem rodowiska w tempe-

raturach normalnych).

Rys. 18. Zabezpieczenie ognioochronne far-b pczniejc (a) oraz widok elementu sta-

lowego zabezpieczonego farb pczniejc

podczas poaru (b)

Rys. 19. Waciwoci termoizolacyjne orazzachowanie si farby pczniejcej pod

wpywem wysokiej temperatury [17]

Nanoszenie powok na konstrukcj stalow odbywa si rcznie (wakiem lub pdz-

lem) lub natryskowo. Na powierzchni oczyszczon w sposb przewidziany jak do

ochrony przed korozj nakada si pierwsz warstw gruntujc. Po jej wyschniciu

nakada si minimum 2 warstwy ochrony przeciwogniowej, o cznej gruboci warstw w

stanie zimnym m4000300 . Pod wpywem wysokiej temperatury powikszaj one

swoj objto wytwarzajc warstw porowatej pianki ograniczajcej dopyw ciepa do

stali. Warstwy te zmieniajc si w pianki osigajc grubo 3040 mm (rys. 118b)

izoluj powierzchni stali przed oddziaywaniem ognia (rys. 19). Dziki jej niskiej prze-

wodnoci cieplnej oraz zmianie objtoci (podwysza si te wskanik masywnoci

przekroju elementu chronionego) spczniaa powoka ognioochronna pozwala na

osignicie odpornoci ogniowej konstrukcji stalowej. Farba nawierzchniowa suy do

zapewnienia szczelnoci powok ogniochronnych, zapobiegajc przenikaniu wilgoci


32/65

32

podczas eksploatacji obiektu. Zazwyczaj farby pczniejce nakada si przed monta-

em konstrukcji. Jedn z zalet tego typu ochrony przeciwpoarowej jest zachowanie

estetycznego wygldu konstrukcji stalowej.

2.8. Uwagi i wnioski kocowe

Przedstawione syntetycznie rodki zabezpiecze ogniochronnych konstrukcji stalo-

wych maj swoj specyfik i zalecany zakres stosowania.

Masy natryskowe oraz okadziny pytowe, czyli pasywne rodki ogniochronne s pre-

ferowane w przypadku wymagania odpornoci ogniowej konstrukcji stalowej powyej

60 minut. Stosowane s one gwnie w obiektach przemysowych, magazynowych i

budynkach o konstrukcji szkieletowej. O skutecznoci takich ogniochronnych zabezpie-

cze w duym stopniu decyduje jako ich wykonawstwa. W przypadku mas natrysko-

wych z uwagi na wygld izolacji, czsto maskuje si je dodatkowymi ekranami lub su-

fitami wykoczeniowymi.

Wykonanie izolacji z elementw pytowych zwykle wie si z stosunkowo dugim

okresem ich realizacji. Ponadto w tym przypadku wymagana jest szczeglna staran-

no przy wykonywaniu pocze tak, aby zagwarantowana bya trwao zabezpie-

czenia odpornoci ogniowej w zaoonym czasie eksploatacji obiektu.

Powoki pczniejce s obecnie szeroko stosowane na polskim rynku budowlanym.

Ich zalet jest estetyczny wygld i maa grubo powoki izolujcej (w porwnaniu np.

z masami natryskowymi). Naley jednakzwrci uwag, i prawidowe naoenie farb

na konstrukcj stalow jest trudne i pracochonne. Wymaga ono przede wszystkim d u-

ej starannoci, dowiadczenia i odpowiedniego sprztu. Dlatego prace te powinny by

wykonywane wycznie przez specjalistycznei przeszkolone ekipy, pod cigym nadzo-

rem osoby odpowiedzialnej za jako. Kontrola jakoci dotyczy wszystkich faz prac za-

bezpieczajcych. Dotyczy to szczeglnie oczyszczenia stali, przygotowania antykoro-

zyjnego podoa oraz sprawdzania gruboci nakadanych powok zabezpieczajcych.

W tym przypadku niezbdne jest cise przestrzeganie reimw termiczno -

wilgotnociowych podczas malowania, a take stosowanie przerw pomidzy nakada-

niem kolejnych warstw zabezpieczajcych elementy stalowe. Nieprzestrzeganie tych

wymaga moe spowodowa przedwczesne odpadanie powoki lub/i jej nierwnomier-

ne pcznienie w warunkach poaru, a w efekcie utrat ich waciwoci ogniochronnych.


33/65

33

3. Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki poarowe

3.1. Wprowadzenie

W projektowaniu konstrukcji stalowych w warunkach poaru stosuje si PN-EN1993-1-2 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Cz 1-2: Reguy oglne -

Obliczanie konstrukcji w warunkach poaru [10].

Na rys. 20 przedstawiono oglne zachowanie stalowego elementu konstrukcyjnego

pod wpywem poaru standardowego oraz wystpujcych oddziaywa. Gdy tempera-

tura gazu g wzrasta, to temperatura elementu stalowego ta, zwiksza si, a jego no-

no tdfiR ,, maleje. Zgodnie z postanowieniami [9] konstrukcje stalowe naley projek-

towa w sposb, ktry pozwoli na zapewnieniejej nonoci tdfiR ,, (lub ograniczonego

odksztacenia) przez pewien czas fi,d,reqt , w ktrym jest ona naraona na dziaanie wy-

sokiej temperatury wystpujcej w trakcie poaru.

Rys. 20. Zachowanie stalowego elementu konstrukcyjnego w sytuacji poarowej [17]

Efekty oddziaywa na element konstrukcji to siy wewntrzne (moment zginajcy, si-

a poduna, sia poprzeczna itp.) od oddziaywa (obcie, wpyww). W konstrukcji


34/65

34

poddanej rnym oddziaywaniom (np. ciaru wasnego, niegu, wiatru itp.) element

jest wytony obliczeniowymi wartociami efektu oddziaywad

E . Przy tych samych

oddziaywaniach, lecz dodatkowo w sytuacji poarowej, efekty oddziaywa ulegaj

zmianie i oznaczono je w [10] jako dfiE , . W analizie prostych modeli obliczeniowych,

ocen odpornoci ogniowej konstrukcji mona sprawdza ze wzoru

tdfidfi RE ,,, , (5)

gdzie:

dfiE , obliczeniowy efekt oddziaywa ( EdfiM , , EdfiN , , EdfiV , ) w sytuacji poarowej

wyznaczony zgodnie z PN-EN 1991-1-2 [8],

tdfiR ,, obliczeniowa nono elementu ( RdfiM , , RdfiN , , RdfiV , ) czci lub caoci kon-

strukcji po czasie t, wyznaczona zgodnie z PN-EN 1993-1-2 [10].

Temperatura krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnegocra,

, (przy danym po-

ziomie jego obcienia i poddanemu rwnomiernemu rozkadowi oddziaywania tempe-

ratury) jest to temperatura, przy ktrej przyjmuje si, e ulega on zniszczeniu. Ognio-

odporno elementu stalowego (w ktrym nie wystpuje lokalna utrata statecznoci

cianki przekroju) jest zapewniona po czasie t, jeeli temperatura stalita,

nie przekra-

cza jej temperatury krytycznejcra,

. Std warunek bezpieczestwa ogniowego opisuje

nierwno

crata ,, . (6)

Zgodnie z PN-EN 1993-1-2 [10] wymagania bezpieczestwa konstrukcji stalowej s

zachowane (rys. 20), gdy w wymaganym czasie jej ognioodpornoci fi,d,reqt zachodzi

jeden z nastpujcych warunkw:

nono elementu jest wiksza, ni efekty oddziaywa; speniony jest warunek (5),

temperatura stali elementu jest nisza od temperatury krytycznej; speniony jest wa-

runek (6).

3.2. Proste metody projektowania konstrukcji stalowych na warunki poarowe

W PN-EN 1993-1-2 [10] podano proste modele obliczania nonoci stalowych belek

i supw w warunkach poaru. S one kompatybilne z zasadami obliczania nonoci


35/65

35

granicznych w warunkach normalnej temperatury wedug PN-EN 1993-1-1 [10]. W ich

modelach obliczeniowych uwzgldnia si zmniejszenie efektw oddziaywa na kon-

strukcj oraz zmienno waciwoci stali w warunkach podwyszonych temperatur.

Mog one by stosowane w ocenie nonoci stalowych elementw niezabezpieczo-

nych i zabezpieczonych ogniochronnie oraz chronionych ekranami cieplnymi, wyto-

nych rozciganiem, ciskaniem lub/i zginaniem. Obliczeniowe wartoci ich nonoci

okrela si zakadajc rwnomierny rozkad temperatury w elemencie, modyfikujc od-

powiednie nonoci elementw okrelane w normalnej temperaturze wedug zasad po-

danych w PN-EN 1993-1-1 [10].

Oddziaywanie wysokiej temperatury w czasie poaruna konstrukcje jest traktowa-

ne w PN-EN 1990 [7]jako wyjtkowasytuacja projektowa. W wypadku uproszczonej

analizy termiczno-statyczno-wytrzymaociowej, skutki oddziaywa w sytuacji poaro-

wej mona okreli pomijajcsiy wewntrzne wywoane wymuszonymi lub ograniczo-

nymi wydueniami lub deformacjami elementw, na podstawie wynikw ustalonych

przy projektowaniu w temperaturze normalnej. Ze wzgldu na mae prawdopodobie-

stwo jednoczesnego wystpienia powanego poaru i penych obcie zewntrznych

(uytkowych, klimatycznych, technologicznych itp.) o wartociach charakterystycznych,

efekty oddziaywa w warunkach poaru dfiE , okrela si redukujc skutki oddziaywa

zewntrznych w trwaej i przejciowej sytuacji projektowej. Oblicza si je ze wzoru

dfidfi EE , , (7)

gdzie:

dE wartoci obliczeniowe efektw oddziaywa obliczone dla kombinacji podstawo-

wej wedug wzoru (6.10) w PN-EN 1990 [7],

fi

wspczynnik redukcyjny z uwagi na warunki poarowe, przyjmowany w kombina-

cji podstawowej (wedug wzoru (6.10) w PN-EN 1990 [7]), w przypadku trwaych

lub przejciowych sytuacji obliczeniowych, ktry wyznacza si ze wzoru

1,1,

1,

kQkG

kfikfi

QG

QG

, (8)

w ktrym

kG warto charakterystyczna oddziaywania staego,

1,kQ wartocharakterystyczna wiodcego oddziaywaniazmiennego,


36/65

36

fi wspczynnik do okrelenia wartoci kombinacji obcie zmiennych odpo-

wiednio czstych 1,1 i prawie staych 2,1 , wedug PN-EN 1991-1-2 [8],

1,Q wspczynnik czciowy wiodcego obcienia zmiennego.

W PN-EN 1993-1-2 [10] podano te informacje na temat wyznaczania wspczyn-

nika redukcyjnego fi w przypadku, gdy korzysta si z kombinacji podstawowej we-

dug wzoru (6.10a) i (6.10b) wPN-EN 1990 [7].

3.3. Metoda temperatury krytycznej

3.3.1. Temperatura krytyczna elementu stalowego

Podstaw metody temperatury krytycznej oceny bezpieczestwa poarowego kon-

strukcji jest wyznaczenie temperatury elementuta,

po upywie wymaganego okresu

ognioodpornoci i porwnanie jej z temperatur krytyczn cra, przy ktrej wystpioby

wyczerpanie jego nonoci. Temperatur krytyczn stalowego elementu konstrukcyj-

nego oblicza si zgodnie z pkt. 4.2.4 w [10].Na rys. 21 przedstawiono schemat bloko-

wy procedury projektowania stalowych elementw konstrukcyjnych z uwagi na warunki

poarowe za pomoc metody temperatury krytycznej.W ocenie bezpieczestwa poarowego wedug (6), prosty model metody temperatu-

ry krytycznej mona stosowa tylko wtedy, gdy nie trzeba uwzgldnia ich kryteriw

statecznoci ani warunkw odksztacenia. Metod t dopuszcza si tylko w przypadku

elementw rozciganych, elementw zginanych zabezpieczonych przed zwichrzeniem

oraz krtkich elementw ciskanych, ktre nie ulegaj wyboczeniu.

Szybko nagrzewania si stalowego elementu nieosonitego zaley od jego sto-

sunku pola powierzchni nieosonitej mA

do objtociV

na jednostk jego dugocii jejmiarjest wskanik ekspozycji przekroju VA

m/ .

W ocenie iloci ciepa przejmowanego przez nieosonity element stalowy narao-

nych na oddziaywanie poaru nominalnego uwzgldnia si ponadto wspczynnik po-

prawkowyshk zwizany z efektem zacienienia. Uwzgldnia on przesanianie strumienia

ciepa w elementach o wklsym obrysie przekroju poprzecznego tzw. efekt cienia.

Wspczynnikshk jest ilorazem umownego przekroju skrzynkowego opisanego na

przekroju rzeczywistym bm VA ]/[ i wskanika ekspozycji VAm/ .


37/65

37

Rys. 21. Schemat blokowy procedury projektowania stalowych elementw konstrukcyj-nych z uwagi na warunki poarowe za pomoc metody temperatury krytycznej


38/65

38

Wskanik stalowego przekroju nieizolowanegoshm

VA ]/[ , z uwzgldnieniem wsp-

czynnika efektu cieniashk ( 0,1

shk lub 9,0shk ) wynosi dla przekrojw:

dwuteowych ]/[9,0]/[]/[ VAVAkVAbbmshshm

, (9)

innych, np. teowych, ktowych ]/[0,1]/[]/[ VAVAkVAbbmshshm

. (10)

Powierzchnib

A mierzy si po wypukym obrysie przekroju poprzecznego (rys. 22),

(nie za po rzeczywistym jego obwodzie jak w przypadku powierzchnimA ).

Rys. 22. Przykady sposobu wyznaczania powierzchnim

A orazb

A

W odniesieniu do stalowego elementu osonitego wskanik przekroju przyjmuje si

jako parametr VAp/ i jest to iloraz powierzchni eksponowanej osony ogniochronnej

pA do objtoci V na jednostk jego dugoci.

Temperatura krytyczna stalowego elementu konstrukcyjnego cra, , (przy danym po-

ziomie jego obcienia i poddanemu rwnomiernemu rozkadowi oddziaywania tempe-

ratury) jest to temperatura, przy ktrej nastpuje ujawnienie si stanu granicznego. Ob-

licza si j ze wzoru

C,48219674,0

1ln19,39 o

833,30

,

cra , (11)

w ktrym wskanik wykorzystania nonoci0

elementw o przekrojach klasy 1, 2 lub

3 oraz elementw rozciganych wyznacza si z zalenoci

0,,

,0

dfi

dfi

RE , (12)


39/65

39

gdzie:

dfiE , efekt oddziaywa na konstrukcj wyznaczony zgodnie z reguami wyjtkowej,

obliczeniowej sytuacji poarowej wg PN-EN 1991-1-2 [8],

0,,dfi

R nono obliczeniowa elementu stalowego w obliczeniowej sytuacji poarowej

w czasie 0t .

Temperatura krytyczna elementw stalowych na og wynosi C800500 o, cra . Wy-

raenie (11) okrelajce temperatur krytyczncra, mona stosowa w przypadku

elementw o przekrojach klasy 1, 2 lub 3. W przypadku ksztatownikw o przekrojach

klasy 4 naley stosowa zachowawcz temperatur krytyczn C350 o, cra .

Temperatura krytyczna elementu zmniejsza si wraz ze wzrostem wskanika wyko-

rzystania jego nonoci0

. Dla danego czasu trwania poaru t przyjmujc, e

crata ,, , warto maksymaln poziomu wykorzystania nonoci

0 niezabezpieczo-

nych elementw stalowych zapewniajc ognioodporno mona obliczy z zalenoci

(11),jako funkcj wspczynnika przekroju uwzgldniajcego efekt cienia )/( VAkmsh

.

W ten sposb mona przyj, e ognioodporno niezabezpieczonych elementw sta-

lowych jest zapewniona po czasie t, jeelimax0

. Maksymalne wskaniki wykorzy-

stania nonocimax

obliczone dla ognioodpornoci R 15 i R 30 podano na rys. 23.

Rys. 23. Maksymalny poziom wykorzystania nonoci stalowego elementu nieosoni-tego w funkcji wspczynnika przekroju )/( VAk

msh [17]


40/65

40

Naley zauway, e w przypadku ognioodpornoci R 30 elementy niezabezpieczo-

ne o wspczynniku przekrojushm

VA )/( wikszym ni 50 m-1 mog osiga tylko bar-

dzo mae wartoci wskanika wykorzystania nonoci elementu0

.

Podczas wybuchu poaru temperatura gazu w strefie ogniowej obiektu gwatowniewzrasta. Zgodnie z PN-EN 1991-1-2 [8], do celw projektowania z uwagi na warunki

poarowe,oddziaywanie poaru na konstrukcj jest przedstawione w postaci standar-

dowej krzywej wzrostu temperatury w czasie (poar standardowy). Analiza te rmiczna

ma na celu wyznaczenie zalenoci midzy temperatur w elementach stalowych

i czasem osignicia tej temperatury w elementach (osonitych lub nieosonitych).

W PN-EN 1993-1-2 [10] podano te prost metod obliczeniow oceny nagrzewania

si stalowych elementw bez izolacji ogniochronnej oraz izolowanych za pomoc ma-

teriaw biernej ochrony przeciwpoarowej.

3.3.2. Analiza termiczna elementw stalowych bez izolacji ogniochronnej

Celem analizy termicznej jest okrelenie zalenoci midzy temperaturw elemen-

cie i czasem osignicia tej temperatury (zarwno w przypadku elementw nieosoni-

tych jak i osonitych izolacj ogniochronn). Identyfikujc temperatur w elemencie

stalowym w rozwaanym czasie ttrwania poaru, mona oceni jego stopie wyte-

nia w poarze.

W przypadku rwnowanego, rwnomiernego rozkadu temperatury w przekroju,

przyrost temperaturyta,

w przedziale czasu t (s) w stalowym elemencie nieoso-

nitym jest okrelony wzorem

thc

VAk

dnet

aa

m

shta ,,

/

, (13)

gdzie:

mA pole powierzchni elementu na jednostk dugoci, m2/m,

V objto elementu na jednostk dugoci, m3/m,

ac ciepo waciwe stali jako funkcja temperatury wedug rozdziau 3 w PN-EN 1993-

1-2 [10], J/(kgK),

dneth , warto obliczeniowa przyjtego strumienia ciepa wg PN-EN 1991-1-2 [8], W/m2,

3kg/m7850a

masa jednostkowa stali.


41/65

41

Rozwizanie rwnania przyrostowego (13) pozwala wyznaczy rozwj temperatury

elementu stalowego podczas poaru. W celu zapewnienia zbienoci rozwizania na-

ley przyj pewn grn granic dla przyrostu czasu t (zaleca si, aby przyjta war-

to t nie bya wiksza ni 5 sekund).

Zaleno (13) jest zapisana w postaci przyrostowej. Okrelenie jej odpowiednika

w wartociach cakowitych wymaga przyjcia modelu poaru i scakowania po czasie, z

wykorzystaniem np. jawnego algorytmu cakowania po czasie.

W tabl. 4 [3] podano temperaturyta,

po czasie tw przekrojach stalowych elemen-

tw konstrukcyjnych bez izolacji ogniochronnej, przy ich rnych wartociach wsp-

czynnikw ekspozycji )/(/* VAkVAmshm

obliczonych dla standardowej krzywej ekspo-

zycji poarowej.Zastosowanie metody obliczeniowej podanej w PN-EN 1993-1-2 [10] z czasem dzia-

ania standardowego poaru ISO wynoszcym 15 i 30 minut ,prowadzi do uzyskania

krzywych temperatur przedstawionych na rys. 24, jako funkcja wspczynnika przekroju

uwzgldniajcego efekt cienia )/( VAkmsh

.

Rys. 24. Temperatura niezabezpieczonych elementw stalowych po 15 i 30 minutach

oddziaywania poaru standardowego ISO w funkcji wspczynnika przekroju

uwzgldniajcego efekt cienia )/( VAkmsh

[17]


42/65

42

Tab. 4. Temperaturata,

po czasie tw przekroju elementu konstrukcji stalowej nieo-

sonitego izolacj ogniochronn[3]

1m,/

VAm

400 200 100 60 40 25

Czas min,fit Temperatura stali C, o,ta

0 20 20 20 20 20 20

5 430 291 177 121 90 65

10 640 552 392 276 204 142

11 661 587 432 308 228 159

12 678 616 469 340 253 177

13 693 642 503 371 278 194

14 705 663 535 402 303 212

15 716 682 565 432 328 230

16 725 698 591 460 353 249

17 732 711 616 487 377 26718 736 721 638 513 401 286

19 743 729 658 538 425 304

20 754 734 676 561 447 323

21 767 738 692 583 470 341

22 780 744 706 604 491 360

23 790 754 717 623 512 378

24 799 767 726 641 532 396

25 807 780 732 658 551 414

26 813 792 735 674 570 431

27 820 803 740 688 588 44928 826 813 746 701 604 466

29 831 821 756 712 621 482

30 837 828 767 721 636 498

31 482 835 780 728 651 514

32 847 841 793 733 665 530

33 852 846 805 736 678 545

34 856 851 816 740 690 559

35 861 856 827 745 701 573

36 865 861 836 753 711 587

37 870 866 844 763 719 601

38 874 870 852 774 726 614

39 878 874 859 786 731 626

40 882 878 865 798 734 638

45 900 897 890 852 761 692

3.3.3. Analiza termiczna elementw stalowych z izolacj ogniochronn

W przypadku rwnowanego, rwnomiernego rozkadu temperatury w przekroju,

przyrost temperaturyta,

w przedziale czasu t (s) w stalowym elemencie osoni-

tym jest okrelony wzorem


43/65

43

tg

aap

tatgppta et

cd

VA,

10/,,, )1(

)3/1(

))(/(

, )00( ,, tgta gdylecz , (14)

w ktrym

)/( VAdc

cpp

aa

pp

, (15)

gdzie:

pA pole powierzchni materiau izolacji ogniochronnej na jednostk dugoci elemen-

tu, m2/m,

pc niezalene od temperatury ciepo waciwe materiau izolacji ogniochronnej,

J/(kgK),pd grubo warstwy izolacji ogniochronnej, m,

ta, temperatura stali w czasie trwania poaru t,oC,

tg, temperatura otaczajcych gazw w czasie trwania poaru t,oC,

tg, przyrost temperatury otaczajcych gazw w przedziale czasu t , K,

p przewodno cieplna zabezpieczenia ogniochronnego, W/(mK),

p gsto masy materiau izolacji ogniochronnej, kg/m.

Warto t przyjmuje si nie wiksz ni 30 sekund. Wartop

c , p , p przejmuje

si zgodnie z rozdziaem 3 w PN-EN 1993-1-2 [10].Alternatywnie do (14), rwnomiern

temperatur osonitego elementu stalowego przy okrelonym czasie poaru mona

przyjmowa z nomogramw do projektowania opracowanych zgodnie z ENV 13381-4

Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural mem-

bersApplied protection to steel members.

We wzorze (14) mona przyj po stronie bezpiecznej, e ciepo waciwe materiau

izolacji ogniochronnej jest rwne zeru. Przy tej wartoci ciepa waciwego izolacji

ogniochronnej warto 0 i zaleno (14) przybiera wwczas uproszczon posta:

tc

kaa

tatgpta

)3/1(

)( ,,,

, (16)

gdzie: pk wskanik izolacyjnoci przekroju, (W/m3K) okrelony wzorem


44/65

44

p

ppp

dV

Ak

. (17)

Wzr (16), po scakowaniu umoliwia opracowanie nomogramw i tablicokrelaj-

cych zmian temperatury stali przy rnych wartociach wskanika izolacyjnoci prze-

kroju pk elementw osonitych izolacja ogniochronn. W tabl. 5 [3] podano temperatu-

ry ta, po czasie tstalowego elementu osonitego izolacj ogniochronn, przy zaoe-

niu standardowego modelu poaru.

Tab. 5. Temperaturata,

po czasie tstalowego elementu osonitego izolacj ognio-

chronn, przy zaoeniu standardowego modelu poaru

KW/(m, 3pk 200 400 600 800 1200 2000

Czas min,fit Temperatura stali C, o

,ta

0 20 20 20 20 20 20

10 37 54 70 85 113 163

20 60 97 130 160 215 304

30 84 139 188 232 306 421

40 108 181 244 298 388 514

50 132 222 296 359 459 58960 156 260 345 414 520 650

70 179 298 391 465 573 699

80 202 333 433 510 620 730

90 225 367 472 552 661 743

100 247 399 509 589 695 773

110 268 430 542 623 721 816

120 289 459 573 654 734 859

130 310 486 602 681 744 900

140 330 512 629 705 765 935

150 349 537 654 723 795 965

160 368 560 677 733 828 990

170 486 582 697 739 861 1013

180 404 603 714 751 892 1032

190 422 623 727 769 921 1049

200 439 642 734 792 948 1065

210 455 660 738 817 972 1078

220 471 677 747 843 993 1090

230 487 692 760 869 1013 1101

240 502 706 777 893 1031 1112

Porwnanie wzrostu temperatury elementw zabezpieczonych i niezabezpieczonychogniochronnie pokazano na rys. 25.


45/65

45

Rys. 25. Krzywa poaru standardowego i porwnanie wzrost temperatury elementw

zabezpieczonych i niezabezpieczonych ogniochronnie [17]

3.4. Metoda nonoci

3.4.1. Wprowadzenie

Metoda nonoci oceny bezpieczestwa poarowego polega na obliczeniu wytrzy-

maoci elementu tdfiR ,, po upywie wymaganego czasu ognioodpornoci t i porwna-

niu jej z efektem oddziaywa na konstrukcje w podwyszonej temperaturze dfiE , (7).

Zgodnie z PN-EN 1993-1-2 [10] naley przyj, e bezpieczestwo elementu stalowe-

go w warunkach poaru jest zachowane w czasie t, jeli speniony jest warunek (5).

Proste modele oceny nonoci stalowych elementw konstrukcyjnych w warunkach

poaru podano w pkt. 4.2 w[10]. Na rys. 26. przedstawiono schemat blokowy procedu-

ry projektowania stalowych elementw konstrukcyjnych z uwagi na warunki poarowe

metod nosnoci.

W celu uwzgldnienia wpywu wysokiej temperatury w modelach oceny nonoci

elementw stalowych tdfiR ,, w PN-EN 1993-1-2 [9] wprowadzono:

obnione wartoci: granicy proporcjonalnoci stali ,pf , granicy plastycznoci stali

,y

f i wspczynnika sprystoci podunej stali

E w podwyszonej temperaturze,

wspczynnik czciowych przy projektowaniu z uwagi na warunki poarowe fiM, ,


46/65

46

zwikszon smuko wzgldn,

dugo wyboczeniow supw w warunkach poaru (w stonych ukadach ramo-

wych) przyjmuje si rwn 0,7 i 0,5 ich dugoci teoretycznej, odpowiednio dla grnej

kondygnacji i pozostaych kondygnacji,

specjalne krzywe wyboczeniowe dla warunkw poarowych.

Rys. 26. Schemat blokowy procedury projektowania stalowych elementw konstrukcyj-nych z uwagi na warunki poarowe za pomoc metod nonoci


47/65

47

Obliczeniow nono tdfiR ,, w czasie trwania poaru t wyznacza si przyjmujc

zaoenia o rwnomiernej temperaturze w przekroju.

W wypadku nierwnomiernego rozkadu temperatury w przekroju, nonoci elemen-

tw okrela si rozpatrujc elementarne pola przekrojw zodpowiadajcymi im wsp-

czynnikami redukcyjnymi granicy plastycznoci.

3.4.2. Waciwoci stali w podwyszonej temperaturze

W podwyszonej temperaturze nastpuje degradacja waciwoci mechanicznych

stali. W PN-EN 1993-1-2 [10] przyjto ksztat charakterystyki stali jak w tempera-

turze 20oC, z jednoczesnym zmniejszeniem wartoci: granicy proporcjonalnoci, gran i-

cy plastycznoci oraz moduu sprystoci podunej, przez zastosowanie wspczyn-

nikw redukcyjnych ,ik . Wartoci obliczeniowe waciwoci mechanicznych stali w

podwyszonej temperaturze okrela si ze wzorw

fiM

ypp

fkf

,

,,

, (18)

fiM

yyy

fkf

,

,,

, (19)

fiM

E

EkE

,

,

, (20)

gdzie:

,pf , ,yf , E odpowiednio granica proporcjonalnoci, granica plastycznoci oraz

modu sprystoci podunej stali w podwyszonej temperaturze,

pf , yf , Eodpowiednio granica proporcjonalnoci, granica plastycznoci oraz modu

sprystoci podunej stali w temperaturze 20oC,

,pk , ,yk , ,Ek wspczynnik redukcyjny odpowiednio granicy proporcjonalnoci, gra-

nicy plastycznoci oraz moduu sprystoci podunej stali,ktrego

wykresy pokazano na rys. 27, za wartoci podano w tabl. 6,

fiM, czciowy wspczynnik bezpieczestwa, ktry naley przyjmowa 0,1, fiM .

Wykres stali w podwyszonych temperaturach pokazano na rys. 28.


48/65

48

Rys. 27. Wykresy wspczynnikw redukcyjnych ,pk , ,yk , ,Ek charakterystyki stali

w podwyszonych temperaturach

Tab. 6. Wspczynniki redukcyjne waciwoci mechanicznych i odksztacalnociowych

stali w wglowej w podwyszonych temperaturach

Temperatura

stali a ,o

C

Wspczynnik redukcyjny

,yk ,pk ,Ek 20 1,000 1,000 1,000

100 1,000 1,000 1,000

200 1,000 0,807 0,900

300 1,000 0,613 0,800

400 1,000 0,420 0,700

500 0,780 0,360 0,600

600 0,470 0,180 0,310

700 0,230 0,075 0,130

800 0,110 0,050 0,090

900 0,060 0,0375 0,0675

1000 0,040 0,0250 0,04501100 0,020 0,0125 0,0225

1200 0,000 0,0000 0,0000


49/65

49

Rys. 28. Wykres stali wglowej w podwyszonych temperaturach

3.4.3. Klasyfikacja przekrojw

W warunkach poarowych przekroje poprzeczne s kwalifikowane tak jak w przy-

padku oblicze konstrukcji stalowej w warunkach normalnych tj. zgodnie z tab. 5.2 w

PN-EN 1993-1-1. Wpyw efektw zwizanych ze zmian waciwoci wytrzymaocio-

wych oraz odksztacalnociowych stali w podwyszonych temperaturach uwzgldnia

si modyfikujc parametr ustalany wedug PN-EN 1993-1-1, przez zastosowanie

wspczynnika ewaluacji waciwoci stali 85,0 . Klasyfikacji przekrojw elementw

w warunkach poaru naley dokona z uwzgldnieniem zredukowanej wartoci

okrelonej wzorem

yf

23585,0 . (21)

Modyfikacja parametru (21) zmniejsza wartoci graniczne smukoci cianek

tcsc / dla rnych klas przekrojw, tak e niektre przekroje mog by zakwalifiko-

wane bardziej rygorystycznie ni w normalnej temperaturze eksploatacji obiektu.

3.4.4. Obliczeniowa nono elementu na rozciganie

Obliczeniow nono elementu rozciganego o rwnomiernej temperaturze prze-kroju a okrela si ze wzoru


50/65

50

fiM

MRdyRdfi NkN

,

0,,,

, (22)

gdzie:

,yk wspczynnik redukcyjny granicy plastycznoci w temperaturze a , osignitej w

czasie trwania poaru t,

RdN obliczeniowa nono przekroju w normalnej temperaturze wg PN-EN1993-1-1,

0M wspczynnik czciowy do okrelenia nonoci przekroju wg PN-EN1993-1-1.

3.4.5. Obliczeniowa nono elementw ciskanych o przekrojach klasy 1, 2 i 3

Obliczeniow nono na wyboczenie RdtfibN ,,, elementwo przekrojach klasy 1, 2

lub 3 oraz rwnomiernym rozkadzie temperatury a okrela si ze wzoru

fiM

yyfiRdtfib

fAkN

,

,,,,

, (23)

gdzie:

A pole przekroju elementu ciskanego,

fi wspczynnik wyboczenia gitnego w sytuacji poarowej, okrelony jako wa rto

mniejsza z wartoci fiy, oraz fiz, wedug wzorw

22

1

fi , (24)

215,0 i , (25)

w ktrym parametr imperfekcji w warunkach poarowych odpowiedniej krzywej

wyboczeniowej wyraony zalenoci

yf

23565,0 . (26)

Smuko wzgldn elementu ciskanego w temperaturze a , naley ustali we-

dug wzoru


51/65

51

,

,

E

y

k

k , (27)

gdzie: smuko wzgldna wyboczenia gitnego elementu w temperaturze normal-

nej wedug PN-EN 1993-1-1.

Przyjte w PN-EN 1993-1-2 procedury okrelenia nonoci prtw z warunku utraty

statecznoci oglnej elementw stalowych w poarze tdfibR ,,, (ciskanych tdfibN ,,, lub

zginanych tdfibM ,,, ) rni si w niektrych aspektach od algorytmw stosowanych do

obliczania nonoci elementwdb

R,

w normalnej temperaturze wg PN-EN 1993-1-1.

Dotycz one m.in. przyjmowania wielokrotnych krzywych niestatecznoci oglnej. W y-

nika to z koniecznoci uwzgldnienia zmian granicy plastycznoci oraz moduu spry-stoci podunejw podwyszonych temperaturach, ktre bezporednio decyduj o no-

noci z warunku utraty statecznoci oglnej (smuko wzgldnelementu stalowego

jest funkcj wspczynnikw ,yk i ,Ek ; parametry te s funkcj temperatury).

W procedurze okrelenia nonoci na wyboczenie prtw stalowych w warunkach

poaru mona wyrni nastpujce kroki obliczeniowe:

1. Wyznaczenie smukoci wzgldnej wg (27),

2. Obliczenie parametru imperfekcji jako funkcji granicy plastycznoci stali wg (26),

3. Okrelenie wspczynnika wyboczeniowego wg (24),

4. Obliczenie nonoci elementu ciskanego na wyboczenie w poarze wg (23).

Z analizy (12) wynika, e smuko wzgldn elementu ciskanego w warunkach

poaru zaley od temperatury, gdy jest funkcjwspczynnikw ,yk i ,Ek . Dlatego

temperatur krytyczn odpowiadajc danemu poziomowi efektu oddziaywa EdfiN ,

oblicza si iteracyjnie. Jeli ciskany element moe wyboczy si w dwch paszczy-znach, to w celu wyznaczenia miarodajnej smukoci pierwszy krok obliczeniowy naley

powtrzy dwukrotnie. Nastpnie powtarza si kroki obliczeniowe 14 przy zaoeniu

paszczyzny wyboczenia, ktra charakteryzuje si najwiksz smukoci elementu. Na

og do osignicia zadawalajcej zbienoci oblicze wystarcza druga lub trzecia it e-

racja (proces iteracyjny jest szybkozbieny). Iteracj powtarza si do uzyskania tej s a-

mej wartoci wspczynnika ,yk w dwch kolejnych iteracjach. Wwczas przyjmuje si,

e temperatura a wyznaczona w ostatniej iteracji jest temperatur krytyczn cra, ana-

lizowanego elementu.


52/65

52

Przykad oblicze nonoci na wyboczenie supa stalowego w warunkach poaru

podano m.in. w [6].

W pomieszczeniu wydzielonym ogniowo (w strefie poarowej)oddziaywania poa-

rowe redukuj sztywno supw, podczas gdy ich wzy zachowuj praktycznie nie-

zmieniona sztywno. Dlatego dugoci wyboczeniowe supwel naley przyjmowa

jak w projektowaniu elementw w normalnej temperaturze, z wyjtkiem supw cigych

w stonych ukadach ramowych. Wwczas naley przyj dugo wyboczeniow:

Lle 5,0 - w przypadku supw kondygnacji porednich oraz

Lle

7,0 - w przypadku supw kondygnacji najwyszej (gdzie L - dugo teore-

tyczna supa rozpatrywanej kondygnacji).

3.4.6. Obliczeniowa nono elementw zginanych o przekrojach klasy 1, 2 i 3

Obliczeniow nono na zginanie RdtfibM ,

06 a.biegus-bezpieczenstwo pozarowe konstrukcji stalowych

Documents