Funkcje elementów budowlanych podczas pożaru i kryteria oceny
Pożar oddziałuje na konstrukcję i środowisko budynku. Oddziaływania na konstrukcję mają charakter termiczny i mechaniczny. Oddziaływania termiczne to: promieniowanie, konwekcja i przewodzenie. W wyniku oddziaływań termicznych powstają efekty mechaniczne, związane ze zmianą obciążeń działających na konstrukcję i sił wewnętrznych spowodowanych rozszerzalnością liniową materiałów oraz zmianą właściwości mechanicznych i degradacją mechaniczną materiałów konstrukcyjnych. Oddziaływanie na środowisko następuje poprzez oddziaływanie termiczne (wzrost temperatury powietrza) oraz zmianę składu chemicznego frakcji gazowych i pojawienie się obszarów o znacznym nasyceniu powietrza cząsteczkami stałymi (dym). Oddziaływanie termiczne na środowisko jest związane głównie z konwekcją i promieniowaniem.
Dla oddziaływań termicznych ustalono [1] następujące poziomy ekspozycji:
- małe źródło ognia (np. płonąca zapałka);
- pojedyncze płonące przedmioty;
- pożar rozwinięty.
Z oddziaływaniem na poziomie małego źródła ognia i pojedynczych płonących przedmiotów związana jest klasyfikacja z uwagi na stopień palności (obecnie używa się, wzorem UE, określenia: reakcja na ogień) i rozprzestrzeniania ognia.
Reakcji na ogień i rozprzestrzenianie ognia materiałów, takich jak: beton, beton komórkowy, gips, ceramika, silikaty nie bada się. Są to wyroby niepalne i nierozprzestrzeniające ognia. Wyroby niepalne nie mają udziału w rozwoju pożaru. Tworzywa te modyfikowane dodatkami organicznymi, jak np. styrobeton, wiórobeton itp. są materiałami palnymi, chociaż elementy z tych tworzyw na ogół nie rozprzestrzeniają ognia. Zagadnienia te nie będą szerzej omawiane, gdyż w przypadku murów mają one drugorzędne znaczenie. Wymaganiem podstawowym jest w tym przypadku odporność ogniowa.
Oddziaływania na konstrukcję są związane z pożarem rozwiniętym. Przy czym odporność ogniową konstrukcji określa się z uwagi na podane niżej kryteria (rys. 1):
Tablica 1. Zestawienie kryteriów użytkowych
Kryteria podstawowe:
R - nośność;funkcje oddzielające
E - szczelność; funkcje oddzielające
I - izolacyjność,funkcje oddzielające
Kryteria uzupełniające:
W - jeżeli o izolacyjności decyduje promieniowanie;
M -jeżeli uwzględnia się szczególne oddziaływania mechaniczne;
C - dla drzwi zaopatrzonych w samozamykacze;
S - dla elementów ograniczających przepływ dymu (dymoszczelnych).
Elementy konstrukcji powinny w ciągu ustalonego czasu spełniać funkcje nośne i oddzielające. Czas, w ciągu którego elementy spełniają te funkcje, określany jest jako odporność ogniowa.
Tablica 2. Kryteria oceny poszczególnych elementów.
Pełne zestawienie kryteriów użytkowych podano w tablicy 1, a kryteria oceny elementów budynku w tablicy 2.
Elementy podziału wewnętrznego, takie jak: stropy, ściany działowe, ściany korytarzowe, obudowa klatki schodowej oraz ściany zewnętrzne powinny spełniać funkcje wydzielające, ograniczające rozprzestrzenianie się pożaru i umożliwiające ewakuację (kryteria E oraz I).
Elementy te mogą spełniać także funkcje nośne i wtedy powinny być klasyfikowane także z uwagi na kryteria nośności R.
Kryterium szczelności I dotyczy zastosowania integralności elementu budynku. Podczas ogrzewania nie powinny w nim wystąpić spękania, szpary, przez które mogą przedostawać się płomienie i gorące gazy. Spełnienie kryterium I zapobiega nadmiernemu nagrzewaniu się elementu po stronie nieogrzewanej, tzn. bez wchodzenia w szczegóły i różnego rodzaju odstępstwa od zasady ogólnej, średnia temperatura powierzchni nieogrzewanej nie powinna wzrosnąć więcej niż o 140°C.
Poziom oddziaływań termicznych, przy których określa się odporność ogniową zilustrowano na rys. 2 (wzory 1, 2, 3, 4):
Rys. 2. Zależności konwencjonalne temperatury od czasu.
N - zależność normowa według ISO 839, cz. 1:
T = 345log(8t+1)+20 (1)
H - zależność węglowodorowa:
T = 1080[1-0,325exp(-0,167t)-0,675exp (-2,5t)]+20 (2)
S - zależność tlącego się pożaru:
T = 159t0,25+20 (3)
E - krzywa „zewnętrzna”:
T = 660(1-0,687exp(-0,3t)-0,313exp (-2,5t)+20 (4)
We wzorach (1), (2), (3), (4):
T - temperatura pożaru [°C];
t - czas [min].
Zależność (2) dotyczy pożaru rozwijającego się szybciej, niż jest to określone dla znormalizowanych, tradycyjnie prowadzonych badań (1). Krzywą tą wprowadzono głównie z uwagi na pożary wieży wiertniczych, lecz można ją stosować i w innych przypadkach gwałtownego rozwoju pożaru (magazyny olejów, benzyn, itp.).
Zależność (3) stosuje się w takich przypadkach, gdy właściwości produktu wolno ogrzewanego mogą być gorsze niż przy szybkim wzroście temperatury. Dotyczy to np. ogniochronnych farb pęczniejących, które mogą nie spęcznieć przy wolnym nagrzewaniu.
Zależność (4) dotyczy oddziaływania płomieni wydobywających się przez okno.
WYMAGANIA W ZAKRESIE ODPORNOŚCI OGNIOWEJ
Wymagania dotyczące minimalnej odporności ogniowej budynku sformułowano w rozporządzeniu [2], W polskich przepisach techniczno-budowlanych nie występują kryteria W i M.
Programy wewnętrzne powinny być zatem klasyfikowane z uwagi na kryteria E oraz I, tylko w przypadku dachów i stropodachów oraz w pewnym zakresie ścian zewnętrznych klasyfikacja nie obejmuje kryterium izolacyjności I i mogć| być one klasyfikowane wyłącznie z uwagi na kryterium szczelności E.
Kryteria klasyfikacyjne podano poniżej:
1) Elementy oddzielające wewnętrzne, nośne (ściany, stropy). Odporność ogniową należy określać przyjmując jako kryteria stany graniczne nośności ogniowej, szczelności ogniowej i izolacyjności ogniowej (REI).
2) Elementy oddzielające nienośne (ściany działowe). Odporność ogniową należy określać przyjmując jako kryteria stany graniczne szczelności i izolacyjności ogniowej (El).
3) Ściany zewnętrzne nośne. Odporność ogniową należy określać przyjmując jako kryteria stany graniczne:
a) przy działaniu ognia od wewnątrz (od strony pomieszczeń) - nośności ogniowej (REI), szczelności ogniowej i izolacyjności (El);
b) przy działaniu ognia od strony elewacji - nośności ogniowej, szczelności i izolacyjności (El).
4) Ściany zewnętrzne nienośne (osłonowe).
Odporność ogniową należy określać jako kryteria:
a) przy działaniu ognia od wewnątrz (od strony pomieszczeń) - szczelności i izolacyjności ogniowej połączenia pomiędzy ścianą a stropem (El);
b) przy działaniu ognia od strony elewacji - izolacyjności i szczelności ogniowej wraz z połączeniem pomiędzy ścianą a stropem (El).
5) Dachy i stropodachy. Odporność ogniową należy określać przyjmując jako kryteria stany graniczne nośności i szczelności ogniowej (RE).
6) Elementy nośne liniowe (słupy, belki). Odporność ogniową należy określać przyjmując jako kryterium stan graniczny nośności (R).
Wymaganie odporności ogniowej elementów oddzielających, tj. ścian i stropów dotyczy tych elementów wraz ze stykami, połączeniami i przepustami instalacyjnymi.
W przypadku elementów o budowie niesymetrycznej o klasyfikacji decyduje oddziaływanie ognia z tej strony elementu, z której wartość odporności ogniowej jest mniejsza, z wyjątkiem przypadku, gdy kierunek ekspozycji ogniowej jest znany (np. ściany zewnętrzne). Jako wymagania dodatkowe do odporności ogniowej może być stawiane wymaganie dotyczące właściwości z uwagi na reakcję na ogień.
Indeksy liczbowe oznaczające czas zachowania właściwości użytkowej określa się w minutach, według odpowiednich norm i mogą one przyj-*“ mować następujące wartości 15, 30, 60, 120, 240.
Element może być klasyfikowany według różnych kryteriów, np. element zachowujący nośność w ciągu 155 minut, szczelność w ciągu 80 minut oraz izolacyjność w ciągu 42 minut będzie sklasyfikowany w następujących klasach odporności ogniowej: R 120, RE 60, REI 30.
ZASADY OKREŚLENIA ODPORNOŚCI OGNIOWEJ
Klasy odporności ogniowej murów można określać obliczeniowo lub na podstawie tablic. Dotyczy to elementów pełnych. W przypadku pustaków i elementów drążonych może występować warstwowa nieszczelność, polegająca na odspojeniu się warstw w wyniku gradientu temperatury.
Tablica 3. Przykładowe wartości izoterm Tz Tm
W obliczeniach nośności przekroju przyjmuje się uproszczony model [2], w którym pomiędzy temperaturą 20°C a izotermą T = Tm przyjmuje się, że parametry fizyczne nie ulegają zmianie, pomiędzy izotermą Tm a izotermą Tz należy przyjmować pewne współczynniki, natomiast na zewnątrz izotermy Tz materiał został zniszczony (rys. 4, tablica 3).
Rys. 4 Model do obliczania nośności.
Zależności naprężenia - odkształcenia przyjmuje się według rys.: 5, 6, 7, 8 (przykłady, na rysunkach k jest wartością względną naprężenia w stosunku do wytrzymałości w 20°C), natomiast wydłużalność cieplną - według rys.: 9, 10, 11 i 12. Charakterystyczną cechą jest skurcz gazobetonu i betonu lekkiego pod wpływem wzrastającej temperatury. Z kolei wytrzymałość betonu komórkowego wzrasta i w temperaturze 550°C jest przeszło 1,5 raza większa niż w temperaturze 20°C. Także wytrzymałość tworzywa wapienno-piaskowego do temperatury 550°C jest nieco wyższa niż w 20°C.
Celowość prowadzenia obliczeń dotyczy wyjątkowych przypadków, gdyż murów nie można projektować, tak jak konstrukcji stalowych, czy żelbetowych.
Grubości murów zmieniają się skokowo, w zależności od wymiarów podstawowych elementów i wymagań konstrukcyjnych tak, że różnice wynikające z właściwości fizycznych zmieniają się i tak, np. pomimo istotnych różnic właściwości cieplnych ściana nieobciążona o grubości 12 cm z betonu komórkowego, cegły wapienno-piaskowej i cegły ceramicznej mają klasę El 120.
Klasa odporności elementów obciążonych zależy od stopnia wykorzystania naprężeń, wysokości oraz właściwości zaprawy i tworzywa, z którego ściana jest wznoszona.
Rys. 5. Zależność naprężenia – odkształcenia betonu komórkowego.
Rys. 6. Zależność naprężenia – odkształcenia muru wapienno-piaskowego.
Rys. 7. Zależność naprężenia – odkształcenia betonu lekkiego.
Rys. 8. Zależność naprężenia – odkształcenia cegły ceramicznej.
Rys. 9. Wydłużalność cieplna betonu komórkowego.
Rys. 10. Wydłużalność cieplna muru z cegły wapienno-piaskowej.
Rys. 11. Wydłużalność cieplna betonu lekkiego.
Rys. 12. Wydłużalność cieplna cegły ceramicznej.
LITERATURA
[1] Dokument Interpretacyjny do Dyrektywy 89/106/ EEC dotyczącej wyrobów budowlanych. Wymaganie podstawowe nr 2 „Bezpieczeństwo pożarowe”. ITB, Warszawa 1995.
[2] Alternative Wege zur Ermittlung der Feuer-widerstandsdauer von Mauerwerk, Mauerwerk Kalender 2001.
[3] EN 1996: Design of masonry structures part 1-2: General rules - Structural fire design. 1 st Draft, November 2000.
[4] PN-76/B-03001. Konstrukcje i podłoża budowli. Ogólne zasady obliczeń.
