9.6. Odporność ogniowa

111

9.6. Odporność ogniowa

111

6

7

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

9.6. Odporność ogniowa

10

11

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

9.6. Odporność ogniowa

787

9.6. Odporność ogniowa

787

16

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

9.6. Odporność ogniowa

17

9.6. Odporność ogniowa

18

9.6. Odporność ogniowa

795

796

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

19

9. Bezpieczeństwo pożarowe budynków

9.6.5. Odporność ogniowa konstrukcji stalowych

Przegród budowlanych z samej stali nie wykonuje się. Dlatego też rozważania dotyczące odporności ogniowej można tu ograniczyć do elementów prętowych, jak słupy czy belki, i właściwości użytkowej związanej z zapewnieniem w okre­ślonym czasie nośności konstrukcji.

Długość prętów jest wielokrotnie większa niż wymiary przekroju poprzecz­nego, zatem przy jednorodnej temperaturze w pomieszczeniu (przy ogrzewaniu według zależności nominalnych lub parametrycznych) można pominąć przewo­dzenie ciepła wzdłuż elementów. Przy takich założeniach rozważania ogranicza się do przekroju poprzecznego o grubości jednostkowej.

Stal oznacza się dużą przewodnością cieplną λ (średnio 40 W/(m-K)), można więc w przybliżeniu założyć, że temperatura przekroju jest jednorodna, a wtedy

άθ

cpA— = Ua(e_g - flU) (9.60)

a zatem

gdzie: 0_m - temperatura stali,

Q_g - temperatura w pobliżu elementu, c - ciepło właściwe, ρ - gęstość, kg/m³,

a - współczynnik przejmowania ciepła, W/(m²-K),

U - obwód nagrzewany, m,

A - powierzchnia przekroju poprzecznego, m².

Temperatura przekroju poprzecznego jest więc funkcją wskaźnika U/A. Wartości temperatury w przekroju poprzecznym elementów stalowych nagrze­wanych według krzywej standardowej podano w tabl. 9.21.

Tablica 9.21. Temperatura 6_m elementów stalowych ogrzewanych wg zależności standardowej

Czas		U/Ą, m"^1
min			20	30	50	100	150	200
0	20	20	20	20	20	20	20
15	739	171	236	347	534	632	700
30	842	375	493	648

Na ogół wskaźniki U/A konstrukcji stalowych zawierają się w granicach 100--250 m^_1. Nieizolowane konstrukcje stalowe w ciągu pierwszych 15 minut osią gają już stosunkowo wysoką temperaturę. Tylko słabo obciążone nieizolowane

elementy o wskaźniku U/A mniejszym od 100 m^-1 mogą zachować nośność w czasie od 15 do 30 minut.

Dla uproszczonego modelu, przy założeniu jednorodnej temperatury, można ustalić temperaturę krytyczną, w której następuje wyczerpanie nośności (rys. 9.92).

Temperatura krytyczna jest to więc temperatura, która nie powinna być prze­kroczona, aby element nie uległ zniszczeniu.

Czas, jaki upływa do osiągnięcia tej temperatury, określa odporność ogniową elementu.

Z tablicy 9.22 wynika, że aby konstrukcje stalowe odznaczały się odpornością ogniową 15 minut lub większą, powinny być chronione przed oddziaływaniem nadmiernej temperatury. Najbardziej rozpowszechnioną metodą jest izolowanie konstrukcji przy użyciu materiałów o znacznie mniejszej przewodności cieplnej niż przewodność cieplna stali (rys. 9.93).

Temperatura %r Rysunek 9.92. Zasada ustalania temperatury krytycznej

	0,700
	0,600
	0,500
	0,400
	0,300
	0,200
	0,100
	0,000

G /

/ /

W/

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Θ, °C

Rysunek 9.93. Współczynniki przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych (wg badań ITB)

G - płyta gipsowo-kartonowa, W - wełna skalna o gęstości 140 kg/m³

W obliczeniach uproszczonych można pominąć pojemność cieplną izolacji, gdyż zarówno masa, jak i ciepło właściwe stali są wielokrotnie większe od masy i ciepła właściwego izolacji (rys. 9.94). Jeżeli nie wprowadza się tych uproszczeń, związek pomiędzy temperaturą stali a temperaturą w bezpośrednim otoczeniu elementu wyraża się wzorem

Ul A, rrr^1	Minimalne grubości zabezpieczeń w				mm dla Θα ^r
		350°C	400°C	450°C	500°C	550°C	600°C
0-80	12	15	15	15	15	10
81-100	20	20	20	15	15	10
101-120	25	20	20	20	15	10
121-140	25	25	20	20	20	10
141-160	25	25	20	20	20	10
161-180	30	25	25	20	20	10
181-200	30	25	25	25	20	15
201-220	30	30	25	25	20	15
221-240	30	30	25	25	20	15
241-260	30	30	25	25	20	15
261-280	30	30	25	25	20	15
281-300	35	30	30	25	25	20
301-320	35	30	30	25	25	20
321-340	35	30	30	25	25	20
341-360	35	35	30	25	25	20
361-380	40	35	35	30	25	20
381-400	40	40	35	30	25	20

Tablica 9.22. Tablica ilustrująca sposób określania grubości* izolacji w zależności od współ­czynnika U/A i temperatury krytycznej Q_a^_r

* Podane w tablicy grubości nie mają wartości praktycznej i nie można ich stosować w projekto­waniu.

άθα

dt

λ_ρ Up

dp A p_ac_a j ₊ φ

(θ₈-θ_α)

dt

(9.62

1

1

gdzie: θ_α - temperatura stali, °C,

0g - temperatura w otoczeniu elementu, °C, d_p - grubość zabezpieczenia, mm,

UpdpCppp

Ac_up_u

ρ ρ - gęstość materiału zabezpieczającego, kg/m³, p_a - gęstość stali, kg/m³,

c_p - ciepło właściwe materiału zabezpieczającego, J/(kg-K), c_a - ciepło właściwe stali, J/(kg-K),

λ_ρ - przewodność cieplna materiału zabezpieczającego, W/(m-K), A - pole przekroju poprzecznego stali, m², U - długość obwodu nagrzewanego, m.

15

	!
J	i

500

1000

12

* 9

Rysunek 9.94. Ciepło właściwe płyty gipsowo--kartonowej w funkcji temperatury

Θ, °c

Zależność (9.62) jest wykorzystywana do określania grubości izolacji w funk­cji Ul A, jeżeli jest znany przebieg temperatury w elemencie stalowym i przebieg temperatury w otoczeniu zaizolowanego elementu.

W przypadku elementów konstrukcji na części obwodu przekroju nagrzewa­nych, a na części oddających ciepło (belki stropowe lub dachowe (rys. 9.95)) pola temperatury w konstrukcji można obliczać za pomocą wzorów jednowy­miarowego przewodzenia ciepła, przyjmując obwód nagrzewany pomniejszony o szerokość styku elementu konstrukcji stalowej z innym elementem. Obliczenia te dają zapas bezpieczeństwa rzędu 10-35% w przypadku belek stropowych.

Rysunek 9.95. Przykład elementu częściowo osłoniętego przed dzia­łaniem ognia

W rzeczywistości następuje odprowadzenie ciepła do betonu, obniżające znacz­nie temperaturę górnej półki w porównaniu z temperaturą dolnej półki i dolnej części środnika. Powoduje to również przesunięcie osi obojętnej i wzrost nośno­ści w stosunku do przypadku, gdy temperatura całego przekroju jest taka, jak temperatura dolnej półki. Ocena odporności ogniowej z uwzględnieniem tego czynnika wymaga analizy dwuwymiarowego pola temperatury.

Grubości izolacji są podawane w aprobatach technicznych ITB, w zależności od wskaźnika Uf A i temperatury krytycznej Q_a^_r (tabl. 9.22).

Jeżeli nie są dokonywane obliczenia, temperaturę krytyczną przyjmuje się:

• dla klasy R 30 550°C,

• dla klasy R 60 500°C,

• dla klasy R 120 950°C.

Zasady obliczania wskaźnika U/A podano w tabl. 9.23. Temperaturę krytyczną oblicza się ze wzoru

(9.63)

W przekrojach klas 1, 2, 3 i elementów rozciąganych

gdzie: Εβ^ - obliczeniowy efekt oddziaływań w sytuacji pożarowej wg EN 1991-

-1-2,

RfM,o - nośność obliczeniowa elementu dla t = 0. W elementach skręcanych i zginanych, jeżeli postacią zniszczenia nie jest utrata stateczności giętno-skrętnej, wartość μο oblicza się ze wzoru

(9.65

gdzie: η β - współczynnik redukcyjny charakteryzujący stopień wykorzystania nośności dla t = 0,

7mi - współczynnik częściowy dla właściwości materiału,

YMji - współczynnik częściowy dla materiału w sytuacji pożarowe

(YMfi = 1).

W przekrojach klasy 4 innych niż rozciągane, temperatura krytyczna nie m być wyższa niż 350°C.

Wartości temperatury krytycznej w zależności od wartości współczynnika _ podano w tabl. 9.24.

9.6. Odporność ogniowa Tablica 9.23. Wartości U dla typowych przypadków nagrzewania

Ogrzewanie ze wszystkich stron

Ogrzewanie części obwodu

U = 2(b + g)

Ściana

i/ = /z-f-3Z?-g

U = 2(bi+b₂)

^sfc-

tz2~%za

9

^ZZ22ZZ]

U = 2(h + 2b-g)

	/ / / / /
	/ /
	V////

4h

U = 2(h + b)

Ściana

i

V = 2(b + h'%-g

£/ = 2/i + 3£-2g

Π

U = 2nr

Przy obliczaniu temperatury przekroju poprzecznego można przyjmować £_m = 0,7 (stal węglowa) lub e_m — 0,4 (stal nierdzewna), £f — 1,0 (por. wzór (9.59)).

Konstrukcje stalowe zabezpiecza się przed wpływem ciepła wydzielanego podczas pożaru przez:

• sytuowanie elementów nośnych poza obrysem budynku (rys. 9.96),

• zabezpieczanie pojedynczych elementów (rys. 9.97),

• osłony ogniochronne grup elementów (sufity podwieszone, ściany działowe itp.) (rys. 9.98).

b)

c)

d)

Mo	θα,kr	Mo	θkr	μο	θ a,kr
0,22	111	0,42	612	0,62	549
0,24	698	0,44	605	0,64	543
0,26	685	0,46	598	0,66	537
0,28	674	0,48	591	0,68	531
0,30	664	0,50	585	0,70	526
0,32	654	0,52	578	0,72	520
0,34	645	0,54	572	0,74	514
0,36	636	0,56	566	0,76	508
0,38	628	0,58	560	0,78	502
0,40	620	0,60	554	0,80	496

Tablica 9.24. Wartości temperatury krytycznej θ_α^_Γ ^w zależności od współczynnika μο (wg EN 1993-1-2)

Rysunek 9.96. Konstrukcja stalowa (1) poza obrysem budynku

Β a)

Rysunek 9.97. Zabezpieczenia pojedynczych elementów: A - konturowe, Β - skrzynkowe; a) stup. b) i d) podciągi, c) słup dwugałęziowy

	Odporność
	ogniowa
-	120 min
^:	El 120
i	— Ogień
	R 120

b)

Odporność ogniowa 60 min

Sufit podwieszony

Ogień

Rysunek 9.98. Zabezpieczenia grupowe: a) ściany, b) sufitu podwieszonego

Pojedyncze elementy zabezpiecza się, nanosząc izolację na powierzchnię ele­mentu (zabezpieczenia konturowe - rys. 9.97a) lub obudowując element płytami (zabezpieczenia skrzynkowe - rys. 9.97b).

Zabezpieczenia ogniochronne dzieli się niekiedy na tradycyjne i specjalne.

Technologie tradycyjne to obetonowanie, obmurowanie, a więc zabiegi sto­sowane zwykle na placu budowy przy wykonywaniu innych robót. W ramach technologii specjalnych nakłada się farby ogniochronne, natryski i tynki ognio­chronne oraz wykonuje się zabezpieczenia z płyt ogniochronnych.

Z uwagi na mechanizmy działania, środki zabezpieczające dzieli się na:

• środki aktywizowane termicznie,

• środki pasywne.

Wśród środków aktywizowanych termicznie wyróżnia się:

• powłoki pęczniejące,

• powłoki absorpcyjne.

Powłoki pęczniejące pod wpływem temperatury wytwarzają porowatą war­stwę izolacyjną. Zwykle w procesie pęcznienia wyzwala się woda, która pochłania część energii cieplnej przy odparowywaniu.

W materiałach ogniochronnych aktywizowanych termicznie zachodzą proce­sy chemiczne związków węgla i fosforu. Substancje organiczne, rozkładając się pod wpływem temperatury, tworzą związki węglowodorowe, gazy oraz węgiel. W obecności kwasu fosforowego dodatkowo jest wyzwalana woda, umożliwiając powstanie pianki o własnościach termoizolacyjnych.

Większość środków aktywizowanych termicznie zawiera następujące kompo­nenty:

• generator kwasu fosforowego (np. fosforan amonu), który pod wpływem tem­peratury ulega rozpadowi, prowadzącemu do powstania kwasu fosforowego,

• substancje organiczne, rozkładające się z wytworzeniem zwęgliny,

• środki spieniające - materiały ulegające dekompozycji pod wpływem ciepła, które tworzą niepalne gazy decydujące o ekspansji pianki,

— spoiwo (materiał akrylowy lub epoksydowy), wiążące pęczniejące pokrycie i utrzymujące gazy wewnątrz porów.

Proces pęcznienia rozpoczyna się w temperaturze 200-250° C. Woda powstała w wyniku reakcji rozkładu związków organicznych w obecności kwasu fosforo­wego ulega odparowaniu, a powstałe pęcherzyki formują piankę. Pianka ule­ga dalszemu spęcznieniu wskutek wydzielania gazów ze środków spieniających. Wielkość powstałych pęcherzyków jest kontrolowana przez spoiwo wiążące pian­kę i nadające jej odpowiednią sztywność. Obecność kwasu fosforowego zapo­biega utlenieniu węglowego szkieletu i erozji powłoki pod wpływem wysokich temperatur.

Zestawy farb do zabezpieczeń ogniochronnych składają się zwykle z trzech warstw. Warstwa podkładowa grubości 40-100 μπι, nakładana na stal oczyszczoną metodą piaskowania do wymaganego stopnia czystości, pełni funkcję antykoro­zyjną i przygotowuje przyczepne podłoże pod powłokę pęczniejącą. Ogniochron-na warstwa pęczniejąca może być różnej grubości, zależnie od wskaźnika ma-sywności zabezpieczanego przekroju, wymaganej klasy odporności ogniowej oraz temperatury krytycznej stali. W zastosowaniach praktycznych spotyka się grubo­ści 300-4000 μηι. Grube powłoki nakłada się warstwami (nawet do 8 warstw), a niektórzy producenci zalecają zbrojenie powłok siatkami z włókien stalowych lub szklanych. Nakładanie zestawu ogniochronnego kończy ułożenie warstwy na­wierzchniowej grubości 40-120 μπι, której zadaniem jest ochrona powłoki przed oddziaływaniem środowiska oraz wykończenie dekoracyjne powłoki. Niekiedy producenci nie oferują w zestawach farb nawierzchniowych.

Powłoki nanosi się ręcznie (wałkiem lub pędzlem) albo natryskowo. Najczę­ściej producenci farb dopuszczają obydwa sposoby malowania.

Mechanizm działania powłok absorpcyjnych wiąże się z pochłanianiem energii cieplnej w wyniku chłodzenia oblacyjnego, polegającego na topnieniu materiału powłoki lub sublimacji, czyli przejściu materiału z fazy stałej bezpo­średnio w stan gazowy. Jest to więc zmniejszenie strumienia energii cieplnej, dopływającej do powierzchni stali w wyniku pochłaniania jej części potrzebnej na przemiany fazowe materiału pokrycia. Powłoki te były początkowo stosowane tylko do chłodzenia powierzchni szybkich statków powietrznych.

Ogniochronne izolacje natryskowe. Są to zwykle izolacje z granulatu wełny mineralnej o gęstości 300-600 kg/m². Przewodność cieplna w temperaturze 20°C tego typu izolacji wynosi ca 0,085 W/(m-K), a ciepło właściwe 14 Wmin/(kg-K).

Stosuje się dwie technologie wykonywania izolacji natryskowych:

• z transportem pneumatycznym fabrycznie przygotowanej suchej masy i mie­szaniem jej z wodą lub ciekłym spoiwem u wylotu końcówki specjalnegc agregatu natryskowego (technologia „sucha"),

• z mieszaniem składników „na mokro" i nakładaniem mechanicznym tynku.

Jeżeli w ramach danej technologii przewidziano odpowiedni podkład zapew­niający przyczepność, zabezpieczenie ogniochronne wykonuje się bez siatkowa­nia.

Tynki ogniochronne. Są to wyprawy, zawierające jako wypełniacz lekkie kruszywo (np. perlit), nanoszone agregatem tynkarskim. Na ogół przy większych wysokościach belek stosuje się siatkowanie. Gęstość takich tynków wynosi 600--1000 kg/m³, a ich współczynnik przewodzenia ciepła, w zależności od gęstości, w granicach 0,09-0,20 W/(m-K).

Zabezpieczenia płytowe. Stosuje się różnego rodzaju wyroby, od płyt z wełny mineralnej o gęstości 150 kg/m³, przez płyty gipsowo-kartonowe zbrojone rozpro­szonym włóknem szklanym o gęstości 800 kg/m³, po specjalne płyty silikatowo--cementowe o zróżnicowanej gęstości (450-900 kg/m³) i współczynniku przewo­dzenia ciepła 0,08-0,20 W/(m-K).

W niektórych technologiach płyty są klejone lub klejone i mocowane mecha­nicznie. W innych wyłącznie mocowane mechanicznie.

Zabezpieczenia grupowe (rys. 9.98). Mogą tu być stosowane sufity pod­wieszone z prasowanych płyt z wełny mineralnej, wełny szklanej, płyt gipsowo--kartonowych lub specjalnych płyt ogniochronnych. Rozwiązanie powinno obej­mować zabezpieczenie opraw oświetleniowych, kratek wentylacyjnych i otworów rewizyjnych.

Słupy można zabezpieczać przy wykonywaniu ścian betonowych, murowa­nych lub lekkich ścian warstwowych, przy czym odporność ogniowa słupów za­leży od odporności ogniowej ściany i może być niesymetryczna w zależności od tego, z której strony działa ogień (rys. 9.98a).

Przy wykonywaniu zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji stalowych, na­leży przestrzegać następujących zaleceń:

1. W przypadku wypełniania słupów z profili zamkniętych betonem, należy w ściankach wykonać otwory u podstawy i przy głowicy słupa o powierzchni co najmniej po 3 cm². Rozstaw otworów nie powinien być większy niż 5 m. Otwory te powinny przebiegać także przez izolację zewnętrzną.

2. W przypadku zastosowania ogniochronnych farb pęczniejących, instalacje i przewody wentylacyjne powinny przebiegać w odległości co najmniej 1,5 cm od profilu (rys. 9.99).

3. Złącza śrubowe powinny być zabezpieczone według rys. 9.100.

4. Przejścia instalacyjne przez otwory w belkach powinny być wykonane we­dług rys. 9.101, przy czym przewody instalacyjne należy podwieszać w taki sposób, aby nie spoczywały na izolacji ogniochronnej.

5. Przed przystąpieniem do wykonywania zabezpieczeń ogniochronnych, należy zamocować do konstrukcji łączniki, uchwyty itp., służące np. do montażu

	V/V/V/V/V/V/A
	Υ///////////Λ




Rysunek 9.99. Sposób prowadzenia przewodów insta­lacyjnych przy belkach zabezpieczanych farbami ognio-chronnymi

1 - płyta stropowa, 2 - belka stalowa, 3 - przewód wentyla­cyjny

ττ~π—II I I I

I fTJTI ΓΠΙ1-

G

Rysunek 9.100. Zabezpieczenie złączy śrubowych

instalacji lub sufitów podwieszonych (w szczególności dotyczy to elementó mocowanych metodą spawania).

6. Zabezpieczenia ogniochronne, polegające na otynkowaniu elementów, należ; wykonywać według rys. 9.102 i 9.103.

7. Zabezpieczenia ogniochronne słupów, polegające na obmurowaniu cegłą ob-ramiczną pełną, należy wykonywać według rys. 9.104 i 9.105.




Rysunek 9.101. Rozwiązania przejść instalacyjnych przez otwo­ry w belkach: a) zabezpieczenie konturowe, b) zabezpieczenie skrzynkowe

1 - płyta stropowa, 2 - profil stałow) 3 - izolacja ogniochronna, 4 - kołnierz otworu, 5 - rura ze stali lub siatki za­montowana w celu wykonania izolacji. 6 - siatka metalowa




Rysunek 9.105. Zabezpieczenie słu­pów stalowych przez obmurowanie -szczegóły rozwiązań: a) zabezpiecze­nie połączenia słupa z ryglem, b) za­bezpieczenie słupa przy ścianie

1 - słup, 2 - rygiel, 3 - płyta stropowa, 4 - beton, 5 - okładzina z cegły, 6 - zbro­jenie naroży, przemienne, co 6 do 8 spoin poziomych, 7 - siatka utrzymująca, 8 - siat­ka podtynkowa, 9 - tynk, 10 - ściana żel­betowa, 11 - słupek stalowy usztywniający ścianę, 12 - zabezpieczenie zbrojenia




9.6.6. Odporność ogniowa konstrukcji żelbetowych

Najprostszą metodą jest określenie odporności ogniowej według tablic, w których - w zależności od poziomu obciążenia, wymiarów geometrycznych przekroju poprzecznego i otuliny zbrojenia - ustala się klasę odporności ogniowej poje­dynczego elementu. Tablice dotyczą wyłącznie elementów ogrzewanych według krzywej standardowej.

Druga uproszczona metoda polega na sprawdzeniu po czasie t nośności prze­kroju zredukowanego, czyli przyjmowanego bez części przekroju ogrzanej do temperatury wyższej niż 500°C, jako nieprzenoszącej obciążeń (rys. 9.106). No­śność sprawdza się na podstawie temperatury zbrojenia, przyjmując, że wytrzy­małość obliczeniowa betonu w strefie ściskanej jest taka, jak wytrzymałość cha­rakterystyczna w temperaturze normalnej.

Rysunek 9.106. Redukcja przekroju belki ciągłej (wg EN 1992-1-2)

Τ - strefa rozciągana, C - strefa ściskana

Bardziej dokładna jest metoda stref, polegająca na podziale przekroju na co najmniej 3 części. Właściwości mechaniczne przyjmuje się w obliczeniach od­powiednio do wartości temperatury w środku każdej strefy (k_c(0\), £_c(02) itd.) według rys. 9.107.

		i	' ΜθΜ)
						Μθ3)
			Μθ2)
)f a 1			w c y-

Z metod tych można skorzystać, jeżeli jest znany rozkład temperatury w prze­kroju poprzecznym. Przykładowe rozkłady temperatury podano na rys. 9.108 i 9.109.

Rysunek 9.107. Przykład podzia­łu na strefy ściany ogrzewanej z dwóch stron (wg EN 1992-1-2)

Rysunek 9.108. Rozkład tempe­ratury w płycie (ścianie) grubości 20 cm (krzywa standardowa)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 a, mm

Zasady określania odporności ogniowej wg tablic są podane w normie EN 1992-1-2 i w wytycznych [39]. Przykładowe tablice odporności ogniowej dla słu­pów, ścian nienośnych i nośnych oraz belek ciągłych wg [39] podano w tabl. 9.25-9.28.

Podane dalej tablice dotyczą wyłącznie elementów pełnych, monolitycznych, ogrzewanych według krzywej standardowej. Nie obejmują one elementów prefa­brykowanych i kanałowych, a także nie uwzględniono w nich wszystkich moż­liwych scenariuszy, z uwagi na powierzchnie eksponowane na oddziaływania termiczne.

Niezależnie od podanych wymiarów przekroju poprzecznego i grubości otulin prętów zbrojeniowych powinny być spełnione wymagania konstrukcyjne zawarte w PN-B-03264:2002, EN 1992-1-1.

Podane w tablicach współczynniki wykorzystania nośności są definiowane

wzorem

^KSd

a = — (9.66)

Km

gdzie: K$d - obliczeniowe obciążenie w temperaturze normalnej,

KRd - obliczeniowa nośność elementu w temperaturze normalnej. Odległość osiową zbrojenia od powierzchni elementu określa się według rys. 9.110, z podanego niżej wzoru, jako średnią ważoną (wzór dotyczy przypad­ku, gdy wytrzymałości charakterystyczne wszystkich prętów są jednakowe)

i=i

(9.67)

gdzie: A_Si - pole powierzchni /-tego pręta, Ą - odległość osiowa /-tego pręta.

»■V

7^

as

Rysunek 9.110. Schemat do obliczania odległości osiowej prętów (wg wzoru (9.67))

Podane w tablicach wymiary dotyczą średnicy lub mniejszego wymiaru prze­kroju poprzecznego elementu, a w przypadku ścian i płyt grubości ściany lub wysokości płyty.

Odporność ogniową słupów można określić z tabl. 9.25, jeżeli:

• obciążenia poziome przenoszone są przez elementy usztywniające,

• długość obliczeniowa słupa l₀ < 3,0 m, (dla kondygnacji pośrednich można przyjmować l₀ = 0,5/, a dla kondygnacji najwyższej l₀ == 0,7/, gdzie / jest długością słupa),

• mimośród Msd/Nsd ^ 0,15/z (lub 0,15/ w zależności od zwrotu momentu Msd)> gdzie Msd i Nsd to moment zginający i siła podłużna wywołana obcią­żeniem obliczeniowym,

• stopień zbrojenia A_s/A_c < 0,04.

Gdy odległość środka ciężkości zbrojenia a ^ 70 mm, należy dodatkowo stosować pod powierzchnią betonu siatkę stalową z drutu o średnicy nie mniejszej niż 4 mm i oczku mniejszym niż 10 mm.

Ekspozycja z jednej strony (tabl. 9.25) dotyczy słupa umieszczonego w licu ściany o tej samej odporności ogniowej co słup lub słupów wysuniętych, jeże­li część słupa znajdująca się w ścianie przenosi całe obciążenie. Żaden otwór w ścianie nie może być umieszczony bliżej powierzchni słupa niż w odległo­ści b_m[_n.

W tablicy 9.26 podano klasy odporności ogniowej ścian nienośnych, dzia­łowych o wysokości do 3,5 m, które klasyfikuje się tylko z uwagi na kryteria szczelności ogniowej Ε i izolacyjności ogniowej I, natomiast w tabl. 9.27 - klasy odporności ścian obciążonych. Tablica ta dotyczy także ścian oddzieleń przeciw­pożarowych, pod warunkiem że uwzględniono oddziaływania innych elementów konstrukcyjnych, ciśnienia i możliwość uderzeń zniszczonymi częściami kon­strukcji.

Przyjęta w tablicy ekspozycja na działanie ognia z dwóch stron dotyczy ścian nośnych, które nie spełniają funkcji oddzielającej (słupy-ściany). W tym przy­padku klasy odporności ogniowej oznacza się: R 30, R 60, R 90, R 120, R 180, R 240.

Belki. W tablicy 9.28 podano klasy odporności ogniowej dla belek ogrzewa­nych z trzech stron, izolowanych przez cały czas oddziaływania temperatury przez strop. Przekroje, których dotyczy tablica przedstawiono na rys. 9.111. W przy­padku belek z bokami pochylonymi (rys. 9.11 lb) szerokość b przyjmuje się jako szerokość belki w środku ciężkości zbrojenia rozciąganego.

a) \

is

Rysunek 9.111. Różne rodzaje przekrojów belek żelbetowych: a) przekrój o stałej szerokości, b) przekrój o zmiennej szerokości (o bokach pochylonych), c) przekrój dwuteowy

Średnia grubość półki belki dwuteowej (rys. 9.1 lic) powinna spełniać waru­nek

i^WMWM^t^ (9-68)

gdzie b_mm jest podany w tabl. 9.29.

Zasady tej można nie stosować, jeżeli w przekrój belki da się wpisać przekrój hipotetyczny, spełniający wymagania i zawierający całe zbrojenie (rys. 9.112).

c)










Β

Klasa odporności ogniowej	Wymagane wartości minimalne bmin lub bw, mm
R 120	220
R 180	380
R 240	480
Γλ Γβ

Tablica 9.29. Wymagana szerokość belki (&_m/n) lub szerokość środnika (b_w) (wg prEN 1992-1-2)

L'

U

Rysunek 9.112. Zasada wpisywania przekroju hipotetycznego C - hipotetyczny przekrój poprzeczny belki

Jeżeli rzeczywista szerokość półki b ^ 1,4/?^ (b_w - szerokość środnika .
bdeff < 2^m_in, odległość osiową prętów zbrojeniowych należy zwiększyć do war-
tości _

b_mm V b

(9.69

gdzie: d_eg według wzoru (9.68), b_m[_n według tabl. 9.28.

Jeżeli szerokość półek b > 3,5b_w, to otworów w środniku nie uwzględnia się. pod warunkiem że powierzchnia przekroju poprzecznego w strefie rozciąganej

(9.70

Minimalna odległość osiowa jakiegokolwiek pręta zbrojeniowego nie może być mniejsza niż wymagana dla klasy R 30 i nie mniejsza niż połowa średnie odległości osiowej.

Z uwagi na duży gradient temperatury w narożach, odległość a_sd lin i druto w belkach swobodnie podpartych, z jedną warstwą zbrojenia, należy zwiększy, o 10 mm.

Minimalne wymiary przekroju poprzecznego i minimalne odległości osiowe w przypadku belek wolno podpartych podano w tabl. 9.28.

Powinien być spełniony warunek a_sd = a+ 10 mm, jeżeli b ^ b_m\_n z tabl. 9.2^x

a_eff — a I 1,85

> a

Jeżeli redystrybucja momentu przekracza 15% (rys. 9.113) i nie przeprowadza się dokładnych obliczeń, należy do belek ciągłych stosować zasady jak do belek wolno podpartych.

Rysunek 9.113. Obwiednie mo­mentów zginających nad podpo­rą w sytuacji pożarowej (wg EN 1992-1-2)

1 - wykres momentów zginających w sytuacji pożarowej dla t = 0, 2 - ob­wiednią momentów zginających prze­noszonych przez zbrojenie rozciąga­ne, 3 - wykres momentów zginają­cych w sytuacji pożarowej, 4 - ob­wiednią momentów zginających




9.6.7. Odporność ogniowa konstrukcji murowych

Podobnie jak w przypadku konstrukcji żelbetowych, klasy odporności ogniowej murów można określać na podstawie tablic lub obliczeniowo. W zasadzie me­tody obliczeniowe dotyczą elementów pełnych, gdyż trudno jest ustalić rozkład temperatury w elementach drążonych, pustakach, cegłach sitówkach, kratówkach itp. Klasy odporności ogniowej ścian z pustaków i płyt drążonych oraz z pu­staków ceramicznych są podawane w aprobatach technicznych. W zależności od rozmieszczenia i kształtu otworów oraz ich usytuowania w stosunku do ekspozy­cji ogniowej ściany zachowują się w różny sposób. Przykłady zniszczenia ścian z takich elementów pokazano na rys. 9.114 i 9.115.

Klasy odporności ogniowej o stosunku wysokości do grubości ściany nie większym niż:

1. dla ścian nośnych: na zaprawie zwykłej lub lekkiej 27, na cienkich spoinach 30,

2. dla ścian nienośnych 40

podano w tablicach 9.30-9.33 w zależności od:

• rodzaju użytych elementów murowych,

• grupy elementów murowych ustalonych wg PN-B-03002:1999,

• wskaźnika wykorzystania nośności ściany (a = Nsd/NRd).

Tablica 9.33. Minimalna grubość ścian nośnych z bloków i pustaków betonowych (beton zwykły i lekki)

Wykorzystanie nośności	Minimalna grubość ściany (mm) dla uzyskania klasyfikacji ogniowej
		REI 30	REI 60	REI 90	REI 120	REI 180	REI 240
Grupa 1
a= 1,0	120	150	170	200	240	300
α = 0,6	100	120	150	180	200	250
Grupa 2
a = 1,0	150	170	200	240	300
α = 0,6	120	140	170	200	300	-

9.6.8· Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych

Drewno w konstrukcjach jest stosowane jako drewno lite, poddawane wyłącz­nie obróbce mechanicznej, lub drewno klejone, w postaci elementów klejonych warstwowo oraz z forniru grubości od 3,2 do 4 mm.

Z uwagi na sposób stosowania, elementy drewniane występują jako nieosło­nięte elementy prętowe bądź w elementach warstwowych, w których drewno sta­nowi szkielet konstrukcyjny, natomiast funkcje oddzielające spełniają okładziny z desek, płyt gipsowo-kartonowych lub innych i wypełnienie izolacyjne. Elemen­ty warstwowe mogą powstawać na budowie bądź są produkowane w wytwórniach jako gotowe płyty lub fragmenty i na placu budowy jedynie scalane.

W elementach warstwowych jest na ogół stosowane drewno lite, chociaż w ostatnim okresie coraz częściej wykonuje się (wzorem konstrukcji stalowych) dwuteowniki lub elementy stalowo-drewniane. W dwuteownikach półki przeno­szące moment są z drewna litego, natomiast środnik przenoszący naprężenia styczne ze sklejki lub płyt drewnopodobnych. Elementy stalowo-drewniane są wykorzystywane jako belki stropowe. Półki wykonuje się z drewna litego, na­tomiast funkcję środnika pełnią taśmy, pręty lub profile gięte na zimno łączące

Rodzaj elementu	Minimalna grubość ściany (mm) dla uzyskania klasyfikacji ogniowej
		El 30	El 60	El 90	El 120	El 180	El 240
Grupa 1	60	90	100	140 (120)	170	200
Grupa 2	70	100	150	200	300	-

Tablica 9.32. Minimalna grubość ścian nienośnych z bloków i pustaków betonowych (beton zwykły i lekki)

półki belki. Powstaje rodzaj kratownicy, w której elementy stalowe przenoszą siły osiowe. Z uwagi na konieczność wykorzystania nośności przekroju, szkielet jest wykonywany ze stosunkowo wąskich i wysokich elementów o dużym momencie bezwładności w jednym kierunku i małym w drugim. Przed utratą stateczności szkielet chronią okładziny.

Wobec dużej różnorodności rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych, w wielu przypadkach brak jest danych doświadczalnych, pozwalających na obli­czeniowe określenie odporności ogniowej. Z drugiej strony odporność ogniowa nieosłoniętych elementów dwuteowych jest bardzo niska.

Z uwagi na sposób stosowania drewna można wyodrębnić konstrukcje prętowe i konstrukcje płytowe.

W drewnianych konstrukcjach prętowych, podobnie jak w konstrukcjach stalo­wych, odporność ogniową rozważa się tylko z uwagi na funkcję nośną, określoną przez kryterium R. Odpowiednią klasę odporności ogniowej uzyskuje się przez dobranie takich wymiarów przekroju poprzecznego, aby niezwęglone jądro prze­kroju mogło przez określony czas przenosić obciążenia występujące w sytuacji pożarowej.

W drugim przypadku następuje rozdzielenie funkcji nośnych i wydzielają­cych. Funkcję nośną R pełni szkielet drewniany, któremu odpowiednią odporność ogniową zapewnia dobranie właściwej grubości okładzin.

Funkcję wydzielającą (kryteria Ε oraz I) pełnią okładziny wraz z wypełnie­niem.

Elementy konstrukcyjne mogą być zabezpieczone okładzinami z drewna, ma­teriałów drewnopodobnych lub innych (np. płytami gipsowo-kartonowymi). Jeżeli element jest zabezpieczony, w obliczeniach nośności należy uwzględnić

że:

• rozpoczęcie zwęglania następuje z opóźnieniem w stosunku do początku zwę­glania określonego dla elementów nieosłoniętych,

• prędkość zwęglania ulega redukcji w czasie tf określającym zniszczenie okła­dzin,

• prędkość zwęglania wzrasta po zniszczeniu okładzin, czyli po osiągnięciu czasu tf.

Przy sprawdzaniu odporności ogniowej konstrukcji prętowych (EN 1995-1-2 można korzystać z wartości prędkości zwęglania β₀ podanych w tabl. 9.16, jeżeli jest spełniony warunek

Γ 2d_char;₀ + 80 dla d_cha^₀ > 13 mm
°^min \S,15d_char,₀ dla d_chari0 > 13 mm ^{'

gdzie d_char,o = ßot-

---