Zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych cz

Zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych cz. I

Tagi:

bezpieczeństwo pożarowe,

hala,

konstrukcje stalowe,

ochrona przeciwpożarowa,

ppoż.

Konstrukcje metalowe stały się tym dla architektów, czym dla lekarzy antybiotyk – sprawiły, że można osiągać wyżyny wcześniej niedostępne. Dlatego takim budynkom stawia się szczególne wymagania bezpieczeństwa pożarowego.

Duży obiekt, duży problem. Zagrożenia powiększają się, łączą, tworzą nowe. Im wyżej, tym trudniej prowadzi się akcje gaśnicze. Ewakuacja już powyżej 8 kondygnacji staje się nie tylko bardzo trudna, ale także czasochłonna.

Dla ludzi znajdujących się w płonących budynkach oraz ekip idących im na ratunek, czas jest największym wrogiem.

Najważniejszym czynnikiem, który muszą uwzględniać projektanci i konstruktorzy w trakcie tworzenia swoich dzieł jest właśnie czas, który musi być zapewniony dla potrzeb ewakuowania wszystkich ludzi, w tym rannych. Jest to czas, przed upływem którego konstrukcja budynku musi utrzymywać parametry graniczne swoich elementów na poziomie projektowanym.

Natomiast w trakcie pożaru najważniejszymi parametrami zagrożeń są czas i temperatura. Czas ekspozycji na wysoką temperaturę jest tak samo ważny, jak jej wartość i to od nich zależy możliwość wystąpienia ofiar śmiertelnych i zniszczeń materiałowych. Świadomie pomijam pozostałe zagrożenia pożarowe, czyli produkty niepełnego spalania (gazy toksyczne, dym), gdyż one są bardzo groźne przede wszystkim dla ludzi i nie mają praktycznie żadnego negatywnego wpływu na konstrukcję, z wyłączeniem chlorowodoru, który może powodować korozję betonu.

Dziedzictwo Eiffela

Tendencję budowania wysokościowców oraz potężnych budowli opartych o konstrukcje metalowe zapoczątkował Gustaw Eiffel – wieża w centrum Paryża uświetniła Wystawę Światową w 1889 r. Wraz z zamontowaną na jej szczycie w 2000 r. anteną mierzy dzisiaj 324 m.
Nie trzeba było zbyt długo czekać na wieżowiec dorównujący pod względem wysokości Wieży Eiffla. W 1929 r. na nowojorskim Manhatanie oddano do użytku Chrysler Building o wysokości 282 m (77 pięter), a licząc ze stalową iglicą – 319 m. Również w Nowym Jorku – stolicy drapaczy chmur – stał już wówczas Wooldorth Building o wysokości 242 m (57 pięter), który wzniesiono w 1913 roku. Budynki te, podobnie jak wiele innych wysokościowców, wykonano w konstrukcji stalowej.
Od tamtej pory trwa wyścig, kto i gdzie postawi najwyższy budynek (Petronas Twin Towers – bliźniacze wieże w Kuala Lumpur mają 452 m wysokości, czyli 88 czterometrowych pięter).

Niezawodność i bezpieczeństwo konstrukcji

Podstawowe wymagania niezawodności konstrukcji zostały sformułowane przez Międzynarodowy Komitet ds. Bezpieczeństwa Budowli JCSS. Zgodnie z nimi konstrukcje i elementy konstrukcyjne powinny być zaprojektowane tak, żeby z odpowiednim stopniem niezawodności mogły:


Wymagania te powinny być spełnione w zamierzonym czasie użytkowania konstrukcji, dlatego konstrukcje powinny być tak zaprojektowane i utrzymywane w środowisku, w którym pracują, aby spełniały następujące warunki: 
– miały odpowiednią trwałość, tzn. pogorszenie właściwości materiału nie powinno prowadzić do tego, że zbyt dużo konstrukcji zawiedzie podczas użytkowania; 
– były ekonomiczne w zużyciu materiałów, energii i pracy ludzkiej oraz przestrzeni zabudowanej i czasu budowy; 
– uwzględniały konsekwencje awarii z punktu widzenia życia i zdrowia ludzkiego, liczby ludzi zagrożonych w razie wypadku, strat materialnych i społecznych, a także tego, czy może wystąpić zniszczenie nagłe i bez ostrzeżenia, czyli "kruche" lub "ciągliwe", dające szansę ratunku.

Prawo Murphiego mówi, że jeśli jakaś struktura może się zepsuć, ulec destrukcji to na pewno się tak stanie. Biorąc ten fakt pod uwagę oraz to, że konstrukcje stalowe służą do podtrzymywania i kształtowania przede wszystkim: dużych i rozłożystych hal magazynowych, produkcyjnych oraz handlowych, wysokich i wysokościowych budynków biurowych i mieszkalnych, widać, jak potężne wymagania należy postawić projektantom, materiałom, wykonawcom i późniejszym użytkownikom. Wszystkie te elementy składają się na niezawodność konstrukcji.

Rodzaje konstrukcji stalowych wg kryterium przeznaczenia 

1. Konstrukcje hal
Hale są najczęściej budynkami jednokondygnacyjnymi, o dużej wysokości (średnio 6–12 m), o dużej powierzchni (najczęściej 1000–50 000 m
2), z antresolami dla celów biurowych. Ich najpopularniejszym przeznaczeniem jest działalność magazynowa, produkcyjna lub handel wielkopowierzchniowy.
Już po tak ogólnej charakterystyce można sobie wyobrazić, na jak wiele zagrożeń jest narażona konstrukcja w takich obiektach:
a) magazyny: 
– zagęszczenie obciążenia ogniowego spowodowanego przez składowane materiały;
– obciążenia powodowane przez urządzenia wynoszące i transportowe zamocowane na konstrukcji -
dźwigi, suwnice;
– obciążenia spowodowane dużą powierzchnią dachu - jego masa, opady atmosferyczne, wiatr...;
– wibracje i kolizje powodowane przez pojazdy transportu wewnętrznego...
b) zakłady produkcyjne mają bardzo podobną specyfikę jak magazyny, dodatkowymi elementami powodującymi duże oddziaływanie na konstrukcję są maszyny produkcyjne wewnątrz budynku;
c) obiekty handlowe:
– duża gęstość obciążenia ogniowego spowodowanego przez składowane produkty;
– obciążenia spowodowane dużą powierzchnią dachu - jego masa, opady atmosferyczne, wiatr...;
– wyróżniającym te budynki zagrożeniem i zarazem powodem surowszych wymogów jest duża liczba ludzi, którzy codziennie odwiedzają te obiekty.

2. Konstrukcje budynków wysokich i wielokondygnacyjnych
Stal, jako materiał do budowy szkieletów wysokich lub wielokondygnacyjnych, ma wiele zalet. Do najważniejszych zalet konstrukcji stalowych należą:
a) małe wymiary słupów i związany z tym mały ciężar własny;
b) zwiększona powierzchnia użytkowa budynku ze względu na małe nasycenie przestrzeni konstrukcją, jak też mała grubość ścian zewnętrznych i wewnętrznych;
c) dobre wykorzystanie powierzchni zabudowy, gdyż przy niezbyt dużych wymiarach planu budynku uzyskuje się bardzo dużą jego kubaturę;
d) szybkie i łatwe wykonanie elementów konstrukcji w wytwórni, nieskomplikowany transport oraz dogodny montaż, a następnie szybkie i proste prowadzenie innych robót budowlanych (konstrukcyjnych, instalacyjnych i wykończeniowych), pondto montaż konstrukcji może być prowadzony przez cały rok;
e) minimalistyczne wymagania co do wielkości placu budowy, ma to ogromne znaczenie dla organizacji robót na terenach gęsto zaludnionych miast, przeciążonych ruchem ulicznym i samochodowym;
f) duża swoboda organizacji przestrzeni budynku, tak ze względu na jego bryłę, jak też na zapewnienie uniwersalności przeznaczenia, użytkowania oraz przebudowy, związanej ze zmianą użytkowania;
g) nieskomplikowany układ stężeń i szkieletu, przenoszącego obciążenia poziome, co daje dużą swobodę organizowania komunikacji pionowej i poziomej;
h) mała wysokość konstrukcyjna podciągów i stropów, co prowadzi do zmniejszenia całego szkieletu budynku;
i) duża odporność na obciążenia dynamiczne i wyjątkowe (np. zmęczenie konstrukcji, obciążenia sejsmiczne i wybuchy).

Im wyższe budynki, tym większe zagrożenia wynikające przede wszystkim z:  

Wszystkie powyższe zagrożenia zaprezentowały się w pełnej i tragicznej formie 11 września 2001 r.  podczas zamachu na WTC w Nowym Jorku. Podczas prowadzonego śledztwa okazało się, jak nasze ambicje i wola przezwyciężania kolejnych barier stoi w opozycji z ludzką bezwzględnością i nieodpowiedzialnością. Z jednej strony wizjonerzy w postaci architektów i inwestorów z drugiej strony niechlujni i próbujący przyoszczędzić wykonawcy i ich nadzorcy oraz terroryści widzący w takich budowlach cudowny środek do nagłośnienia swojej sprawy.

Mechaniczna i wytrzymałościowa charakterystyka stali w warunkach pożaru

Dla oceny odporności ogniowej konstrukcji stalowych skupię się przede wszystkim na nośności ogniowej R, gdyż zdolność do przenoszenia obciążeń jest najważniejszym celem konstrukcji budowlanej.
O parametrze odporności ogniowej
R należy mówić w połączeniu z możliwością przekroczenia stanu granicznego, jakim jest stan graniczny nośności ogniowej - polega on na zniszczeniu materiału lub przekroczeniu dopuszczalnych wartości odkształceń.
Najważniejszym elementem jest więc określenie punktu granicznego, którego elementy konstrukcji stalowych przekroczyć nie mogą, gdyż następstwem takiego zajścia są nieodwracalne dla budowli konsekwencje.

W warunkach pożaru konstrukcje metalowe ulegają niekorzystnym zmianom. Pod wpływem ogrzewania elementy konstrukcji deformują się, gdyż maleje ich sztywność. Równocześnie rozszerzalność termiczna, w przypadku statycznie niewyznaczalnych konstrukcji, jest przyczyną powstania dodatkowych sił wewnętrznych o znaczących wartościach.
W związku z tym szczególne znaczenie ma analiza nośności (konstrukcji w pożarze), a w tym warunku utraty stateczności.
W odróżnieniu od żelbetowych i drewnianych, konstrukcje stalowe stosunkowo szybko osiągają wysokie wartości temperatury w całym przekroju. Tylko elementy o dużej masywności (małym stosunku U/F), przy niewielkich obciążeniach, mogą uzyskać odporność ogniową od R 15 do R 30. Wartości krytyczne wynoszą zwykle 450 do 550
oC.
Przykładowo, temperatura nieizolowanego dwuteownika I PE 300 mm, dla którego wskaźnik U/F wynosi 193 m
-1, osiąga po 15 minutach ok. 670oC.

Między innymi dzięki powyższym obserwacjom możemy jednoznacznie stwierdzić, że poza małymi wyjątkami elementy konstrukcji stalowych nie mają nośności ogniowej. Ten fakt uzmysławia nam ograniczenia, jakie ma ten rodzaj konstrukcji. W każdym budynku, w którym jest wymagana od elementów konstrukcji choćby najmniejsza nośność ogniowa, użycie konstrukcji stalowej wymaga znaczących obwarowań, które spowodują zlikwidowanie problemu, tzn. nałożenie na elementy konstrukcji odpowiednich powłok, umożliwiających właściwą nośność ogniową tych elementów.

Na potwierdzenie powyższych twierdzeń przedstawiam wykresy rozkładu temperatur w belce stropowej

Wykresy w przekroju poprzecznym I 600 mm po 4 h nagrzewania

 

W drugiej części m.in.: powłoki ogniochronne elementów konstrukcji stalowych (farby pęczniejące, natryskowe powłoki ogniochronne, płytowe powłoki ogniochronne na bazie wełny mineralnej, płyty gipsowo-kartonowe jako powłoki ogniochronne) oraz koszty i trwałość zabezpieczeń.

Zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych cz. II

Tagi:

bezpieczeństwo pożarowe,

hala,

konstrukcje stalowe,

ochrona przeciwpożarowa,

powłoki ogniochronne,

ppoż.

Wysokościowce stają się coraz wyższe, hale produkcyjne czy magazynowe coraz większe. Znajdują się w nich dziesiątki lub tysiące ludzi na raz, tony sprzętów, materiałów, urządzeń, mebli oraz instalacje technologiczne transportujące dowolne substancje... Dlatego budynkom o konstrukcji stalowej stawia się szczególne wymagania bezpieczeństwa pożarowego.

 

Zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych cz. I

Powłoki ogniochronne elementów konstrukcji stalowych

Niekorzystny wpływ warunków pożarowych, a w szczególności wysokiej temperatury mają zminimalizować powłoki ochronne.
Ich sposób działania jest bardzo różny:
– mniejszy współczynnik przenikania ciepła;
– duża wilgotność;
– zmiana rozmiarów (co wpływa korzystnie na zmianę wskaźnika masywności) pod wpływem wzrostu temperatury (np. pęcznienie);
– duża pojemność cieplna.

Różne są rodzaje i efektywność działania powłok (otulin) ochronnych, sposób ich zamocowania na chronionym elemencie, ich skuteczność, ale cały czas cel jest ten sam - minimalizacja przyrostu temperatury chronionego elementu.
Nadal bardzo ważnym parametrem jest wskaźnik masywności elementu, ale pozostałe stałe jego cechy charakterystyczne (jak m.in.: współczynnik przejmowania ciepła, ciepło właściwe czy przenikliwość cieplną) przejmują powłoki ochronne. To dzięki nim stal nabiera cech odporności ogniowej, dzięki czemu może być wykorzystywana jako samodzielny materiał konstrukcyjny w nowoczesnym budownictwie.

Farby pęczniejące

Farby pęczniejące są izolacją ogniochronną, która może nadawać elementom stalowym odporność ogniową od R 15 do R 60. Ich działanie polega na przyroście objętości powłoki pod wpływem temperatury. Dzięki niskiej przenikliwości cieplnej oraz zmiane objętości, podwyższa się także współczynnik masywności elementu chronionego, a powłoka pozwala na osiągnięcie odporności ogniowej stali.
Farby pęczniejące sprzedawane są w formie zestawów, w których znajdują się:

Podstawowymi zaletami farb pęczniejących są:

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 oraz temperatury krytycznej.
Łatwość stosowania farb pęczniejących nie jest pozbawiona ryzyka błędów, a do najczęstszych należy złe przygotowanie podłoża (np. niewystarczające odtłuszczenie lub wyczyszczenie powierzchni), co może powodować późniejsze odrywanie się fragmentów lub nawet całych połaci farby od chronionego materiału. Dlatego należy prowadzić obserwacje zabezpieczonych w ten sposób konstrukcji, aby w porę zauważyć braki w warstwie izolacyjnej.
Podstawowym ograniczeniem tej technologii jest możliwość wytwarzania parametru odporności ogniowej tylko do R 60, co w wielu obiektach jest niewystarczające.

Natryskowe powłoki ogniochronne

Stosuje się do zabezpieczania - w przedziałach od R 30 do R 240 - elementów konstrukcji stalowych znajdujących się wewnątrz obiektu. W przeciwieństwie do farb pęczniejących powłoki te są jednowarstwowe, natryskiwane bezpośrednio na konstrukcję po jej uprzednim oczyszczeniu i odtłuszczeniu.
W zależności od spoiwa wyróżnia się powłoki natryskowe na bazie:

W zależności od gęstości pozornej, powłoki dzieli się na: lekkie – do 700 kg/m3; ciężkie – powyżej 700 kg/m3.
Do zalet natryskowej powłoki ogniochronnej trzeba zaliczyć łatwość nakładania warstwy ochronnej oraz dopasowywanie się jej do kształtu chronionego elementu. Niezwykle ważne jest prawidłowe przygotowanie podłoża, gdyż inaczej powłoka może odpadać od konstrukcji powodując ubytki w całej izolacji ochronnej.

Płytowe powłoki ogniochronne

Izolacyjne płytowe powłoki ogniochronne na bazie wełny mineralnej są obecnie bardzo popularne, zatem i wykorzystywane, w polskim budownictwie. Mają zastosowanie zarówno do izolacji konstrukcji, stref pożarowych czy kanałów wentylacyjnych...
Ich największą zaletą jest waga – ok. 165 kg/m
3, co powoduje stosunkowo niewielkie obciążenie chronionej konstrukcji. Powyższy parametr jest jednak aktualny pod warunkiem, że nie ma potrzeby estetycznego wykończenia konstrukcji. Podstawowym elementem systemu są bowiem płyty wykonane na bazie wełny mineralnej, które z powodów technicznych nie wymagają dodatkowej osłony, ale też nie są specjalnie estetyczne. Można je zamaskować sufitem podwieszanym lub płytami innego rodzaju, mocowanymi bezpośrednio na konstrukcję, co jednak jest dodatkowym obciążeniem konstrukcji nośnej.
Aby system działał prawidłowo, izolacja ochronna musi mieć właściwą grubość, która jak we wcześniej prezentowanych systemach, zależy od temperatury krytycznej, wskaźnika masywności oraz oczekiwanego poziomu odporności ogniowej.
W trakcie montażu należy zwrócić uwagę na zabezpieczenie maskami pracowników przed sypiącymi się z płyt pojedynczymi włóknami, które wchłaniane do organizmu mogą być bardzo szkodliwe (dobrze jest także zabezpieczać oczy i skórę). Zaletą systemu jest nietoksyczność i ekologiczność samego materiału, który prawie w całości jest naturalny.

Płyty gipsowo-kartonowe jako powłoki ogniochronne

Gips (jak również materiały i wyroby go zawierające) jest doskonałym materiałem ogniochronnym. Jego działanie jest jednak odmienne od większości powłok ogniochronnych, gdyż najczęściej jego skuteczność wynika z niskiej przewodności cieplnej - działa jak typowy izolator termiczny.
Płyty gipsowo-kartonowe (GK) – najpopularniejszy dzisiaj materiał do wykończania i aranżacji wnętrz – składają się ze sprasowanego gipsu często z dodatkami, który jest obustronnie oklejony kartonem, nadającym płytom sztywność i estetykę. Karton pełni także rolę izolatora wody w płytach o podniesionej odporności na wilgoć.
Wyróżnia się następujące rodzaje płyt gk:

Aby płyty uzyskały zwiększoną odporność na działanie ognia, rdzeń gipsowy poddaje się niewielkiemu napowietrzeniu i dodaje włókno szklane (płyta F). Dodatkowo gips poddawany jest procesowi hydrofobizacji oraz pokrywany specjalnie zaimpregnowaną otuliną kartonową (płyta FH2).

Prawo wymaga

W Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. "W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie" w Dziale IV, Rozdziale I czytamy m.in.:
"Budynek i urządzenia z nim związane powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający w razie pożaru:
1. nośność konstrukcji przez czas wynikający z rozporządzenia,
2. ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku,
3. ograniczenie rozprzestrzeniania się pożaru na sąsiednie budynki,
4. możliwość ewakuacji ludzi,
a także uwzględniający bezpieczeństwo ekip ratowniczych."
Zapis ten przytaczam ponownie, gdyż powinien on być biblią każdego architekta, specjalisty ds. bezpieczeństwa pożarowego budynków, kierownika budowy.
Na co dzień słychać od inwestorów, że sprostanie wszystkim "waszym" wymaganiom powoduje koszty, przy których inwestycja byłaby nieopłacalna. Tymczasem koszty dostosowania budowli do wymogów bezpieczeństwa pożarowego rzadko sięgają 2% wartości całej inwestycji budowlanej, bez kosztów wyposażenia (często koszt płytek ceramicznych, wykładzin i wyposażenia łazienek jest wyższy). Za takie podejście nie można winić inwestorów, gdyż oni oczekują budynków efektywnych i efektownych (najlepiej do tego tanich). Kiedy kupuje się
samochód, nikt nie pyta o działanie układu kierowniczego. Zakłada się, że to jest w pakiecie.

Koszty

Trwałość

Omówione rozwiązania mają długi okres trwałości. Niemniej jednak należy zwrócić uwagę na pewne słabe punkty, takie jak: 
– niewłaściwe wykonanie izolacji – największe zagrożenia są w przypadku farb i powłok natryskowych, które trzymają się chronionych elementów dzięki należytej przyczepności podłoża. Częstym problemem jest odpadanie powłok z powodu niewłaściwego przygotowania podłoża - ten problem praktycznie nie dotyczy instalacji płytowych;
– uszkodzenia mechaniczne (w trakcie użytkowania budynku) – w jakimś stopniu dotyczy to wszystkich powłok. Konieczne jest monitorowanie ich stanu;
– odporność na wpływ warunków atmosferycznych i działania agresywnych substancji - poza systemem z płyt z wełny mineralnej i farb pęczniejących, pozostałe rozwiązania są przeznaczone do stosowania wewnątrz budynków. Jeśli chodzi o środowiska chemiczne najlepsze parametry posiada wełna mineralna, ale w każdym przypadku należy stosować się do zaleceń producenta.

Doświadczenie mówi,

że rozwiązania powinny być jak najprostsze, gdyż najsłabszym ogniwem w tej i każdej innej branży jest człowiek. Dotyczy to zarówno osób dobierających system jak i tych, które mają później go wdrożyć w życie. Należy także pamiętać o przyszłym użytkowniku, który zawsze będzie miał wiele ważniejszych spraw niż kontrolę omawianych w tym tekście technologii ogniochronnego zabezpieczania konstrukcji stalowych.
Dla większości ludzi stal jest czymś tak trwałym i wytrzymałym, że nie warto zaprzątać sobie głowy dbaniem o jej stan. "Ona z pewnością przetrzyma nas i wszystkie żywioły" - oby u osób tak uważających, po zapoznaniu się z tymi materiałami pojawiła się choćby iskra wątpliwości co do trwałości naszych budowli, tych ze stali i z innych materiałów.




Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
część 9 ZABEZPIECZENIE POŻAROWE KONSTRUKCJI STALOWYCH
Projektowanie zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji
część 9 ZABEZPIECZENIE POŻAROWE KONSTRUKCJI STALOWYCH
Errata Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń według PN-EN 1993-1. Cz. 1
Errata Konstrukcje stalowe Przykłady obliczeń według PN EN 1993 1 Cz 1
Errata Konstrukcje stalowe Przykłady obliczeń według PN EN 1993 1 Cz 1
konstrukcje stalowe
OPIS TECHNICZNY, Skrypty, PK - materiały ze studiów, II stopień, pomoc, II semestr, KONSTRUKCJE STAL
Opis zawodu Monter konstrukcji stalowych, Opis-stanowiska-pracy-DOC
Eurokod 3 PN EN 1993 1 5 2008 zmiany Konstr stalowe Blachownice
Odziaływanie wiatru, Studia, Sem 5, SEM 5 (wersja 1), Konstrukcje Metalowe II, Konstrukcje stalowe I
metale ściąga 3, Budownictwo ogólne, KONSTRUKCJE STALOWE, Konstrukcje metalowe wykłady, Egzamin, ści
KMTprojekt3, Skrypty, PK - materiały ze studiów, I stopień, SEMESTR 7, Konstrukcje stalowe II, pomoc
Konstrukcje stalowe, BUDOWNICTWO
WZMACNIANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH
PN 90 B 03200 Konstrukcje stalowe obliczenia i projektowanie
Konstrukcje staloweProjekt wykonawczy ram portalowych
Konstrukcje Stalowe2
Projekt nr 8 Konstrukcje Stalowe

więcej podobnych podstron