Ochrona przeciwpożarowa konstrukcji stalowych – technologia mas natryskowych (wyznaczanie grubości)

W artykule został omówiony sposób w jaki za pomocą metody temperatury krytycznej wyznaczyć grubość natryskiwanej masy cementowej, potrzebnej do uzyskania wymaganej ognioodporności elementu stalowego.

Zgodnie z PN-EN 1993-1-2 [1] w trakcie pożaru stalowe elementy konstrukcji powinny spełniać kryterium R odporności ogniowej, tzn. spełniać swoją funkcję nośną przez określony czas wyrażony w minutach, od rozpoczęcia pożaru do przekroczenia nośności ogniowej. Klasa odporności ogniowej R120 oznacza, iż element zachowa swoją nośność przez 120 minut.

W powyższej normie wyszczególniono 2 metody obliczania konstrukcji na wypadek pożaru w zakresie prostych modeli obliczeniowych:

1. metoda nośności,
2. metoda temperatury krytycznej.

Poniżej został przedstawiony sposób, w jaki za pomocą metody temperatury krytycznej można obliczyć minimalną grubość zabezpieczenia ogniochronnego w technologi mas natryskowych.

Metoda temperatury krytycznej polega na wyznaczeniu temperatury krytycznej za pomocą odpowiednich obliczeń i sprawdzeniu, czy jest ona wyższa od temperatury elementu w czasie trwania pożaru:

Gdzie:

θ_a,cr – temperatura krytyczna elementu stalowego [°C],

θ_a,t – temperatura elementu stalowego w czasie trwania pożaru t [°C].

Temperatura krytyczna θ_a,cr  jest to temperatura osiągnięta przez element w czasie trwania pożaru t, przy założeniu równomiernego rozkładu temperatury w elemencie oraz że element wykonany jest ze stali węglowej. Zgodnie z normą [1] należy ją obliczać ze wzoru:

Wskaźnik wykorzystania nośności µ₀ przedstawiający wytężenie danego przekroju w czasie trwania pożaru t=0 (czyli w warunkach normalnych), należy wyznaczyć na podstawie obliczeń statycznych korzystając z poniższego wzoru, przy czym jego wartość przyjmuje się nie mniejszą niż 0,013:

gdzie:

E_fi,d – stała wartość obliczeniowa efektów oddziaływań w sytuacji pożarowej,

R_fi,d,0 – obliczeniowa nośność elementu stalowego w czasie trwania pożaru t=0.

Obliczeniowe efekty oddziaływań w sytuacji pożarowej należy obliczyć na podstawie PN-EN 1991-1-2 [2]. Zgodnie z zasadami uproszczonymi kombinacji oddziaływań mogą być stosowane jako stałe podczas trwania pożaru. Efekty te należy wyznaczyć na podstawie obliczeń statycznych uwzględniając odpowiedni współczynnik:

Gdzie:

η_fi – współczynnik redukcyjny do obciążeń obliczeniowych w sytuacji pożarowej,

E_d – wartość obliczeniowa efektów oddziaływań wg kombinacji podstawowej.

Najprościej rzecz ujmując E_d jest to po prostu obliczeniowa wartość siły występującej w danym przekroju w temperaturze normalnej, wyznaczona na podstawie obliczeń statycznych, natomiast E_fi,d jest tą siłą, ale zredukowaną poprzez powyższy współczynnik.

Współczynnik redukcyjny η_fi, zgodnie z normą [1], można w uproszczeniu przyjmować jako η_fi = 0,65. W przypadku, gdy mamy do czynienia z obciążeniem zmiennym należącym do kategorii E (tj. powierzchnie wykorzystywane do składowania towarów wraz z miejscami dostępu do tych obszarów) współczynnik ten należy przyjmować η_fi = 0,70.

Obliczeniowa nośność elementu stalowego R_fi,d,0 jest nośnością w czasie trwania pożaru t=0, czyli w normalnej temperaturze. W zależności od rodzaju elementu i obciążenia nośność ta staje się odpowiednio nośnością na moment zginający lub siłę, oddzielnie lub w kombinacji. To samo odpowiednio dotyczy E_d.

Po wyznaczeniu temperatury krytycznej należy sprawdzić, czy spełniony jest warunek (1).

Temperaturę elementu stalowego θ_a,t w czasie trwania pożaru t należy odczytać z odpowiedniego nomogramu, w zależności czy element jest nieosłonięty czy posiada już warstwę izolacji ogniochronnej [3], [4]. W przypadku elementu nieosłoniętego należy wyznaczyć wskaźnik ekspozycji przekroju z uwzględnieniem efektu zacienienia [A_m/V]_sh, który zgodnie z [3] należy wyznaczyć ze wzoru:

a) – w przypadku dwuteowników,

b) – w przypadku kształtowników innych niż dwuteowniki,

Gdzie:

[A_m/V]_b – wskaźnik ekspozycji przekroju jak dla umownego przekroju skrzynkowego.

Wskaźnik ekspozycji przekroju z uwzględnieniem efektu zacienienia można również odczytać z tablic podanych przez producenta stali.

W przypadku, gdy warunek (1) nie został spełniony, należy z tablic producenta odczytać minimalną grubość zabezpieczenia wykonanego z masy cementowej.

Przykład:

Obliczymy grubość zabezpieczenia przeciwpożarowego z masy cementowej dla belki wykonanej z HEB220 przy wymaganej klasie odporności ogniowej R120.

W pierwszej kolejności obliczymy temperaturę krytyczną:

Przyjęto wskaźnik wykorzystania przekroju na poziomie 0,95:

Odczytano z tab. 2.2 [3] dla HEB220:

Odczytano z nomogramu 3 [3] dla R120:

θ_a,120 = 900°C

Sprawdzenie warunku (1):

θ_a,120 = 900°C > θ_a,cr = 429°C

Warunek nie został spełniony, nośność w czasie pożaru t=120 nie jest zapewniona. Dla zapewnienia klasy odporności ogniowej R120 należy zastosować izolację ogniochronną.

Z tablic producenta zabezpieczeń ogniochronnych z masy natryskowej odczytano jego minimalną grubość: 32 mm.

Literatura:

[1] PN-EN 1993-1-2:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne – Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe

[2] PN-EN 1991-1-2:2006 Eurokod 1: Oddziaływanie na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru

[3] SD004a-PL-EU Nomogram dla nieosłoniętych elementów stalowych

[4] SD005a-PL-EU Nomogram dla elementów stalowych osłoniętych