Metody i przepisy - Sprawdzenia odporności ogniowej

Stany graniczne odporności ogniowej

Stan graniczny odporności ogniowej zależy przede wszystkim od rodzaju konstrukcji – czy jest to element nośny czy nienośny, a także czy jest to ściana, słup czy drzwi. Przepisy definiują szereg stanów granicznych. Cztery najczęściej stosowane typy to R, E, I, W.

(a) R = Nośność i stateczność, (b) E = Szczelność, (c) I = Izolacyjność, (d) W = Ściany przeciwpożarowe

Stan graniczny „R" (nośność i stateczność)

Stan graniczny „R" dotyczy wszystkich konstrukcji nośnych (w tym tych wewnątrz strefy pożarowej), a zwłaszcza tych zapewniających stateczność budynku. Muszą one zachować funkcję nośną nawet podczas pożaru. Dla stanu granicznego „R" nie ma znaczenia, czy konstrukcja jest belkowa czy płytowa. Stan graniczny R musi być spełniony dla ścian, słupów, belek, wiązarów dachowych, płatwi, a także usztywnień itp.

Stan graniczny „E" (szczelność)

Stan graniczny „E" dotyczy wszystkich powierzchni konstrukcji oddzielenia pożarowego. Podczas pożaru w konstrukcji oddzielenia pożarowego nie może powstać szczelina, przez którą mogłyby przenikać płomienie lub gorące gazy do innej strefy. Szczelność ogniowa musi być zapewniona przez ściany i stropy oddzielające strefy pożarowe, inne przegrody przeciwpożarowe lub sufity podwieszane (za którymi mogą przebiegać kanały instalacyjne itp.) oraz zamknięcia przeciwpożarowe (np. drzwi), tam gdzie jest to wymagane.

Stan graniczny „I" (izolacyjność)

Stan graniczny „I" obowiązuje dla powierzchniowych konstrukcji oddzielenia pożarowego, których zadaniem jest zapobieganie nadmiernemu nagrzewaniu przestrzeni po stronie nienagrzewanej. Materiał na nienagrzewanej powierzchni lub w jej pobliżu nie może się zapalić. Izolacyjność musi być zapewniona przede wszystkim przez masywne, wbudowane na stałe konstrukcje płaskie, takie jak ściany i stropy między strefami pożarowymi. Oznacza to, że są to głównie elementy wewnętrzne, gdzie pożar może wystąpić po obu stronach konstrukcji i gdzie osoby po stronie nienagrzewanej mogą być narażone na niebezpieczeństwo. Zamknięcia przeciwpożarowe wychodzące na chronioną drogę ewakuacyjną muszą również spełniać stan graniczny „I".

Stan graniczny „W" (ograniczenie promieniowania cieplnego)

Ograniczenia promieniowania cieplnego dotyczą powierzchniowych konstrukcji oddzielenia pożarowego i są podobne do wymagań „I", lecz mniej rygorystyczne. Stan graniczny „W" nie jest w stanie zapobiec wzrostowi temperatury, jedynie w pewnym stopniu ogranicza strumień ciepła promieniowany od strony konstrukcji odwróconej od pożaru. Jednak ten promieniowany strumień ciepła nie może powodować rozprzestrzeniania się pożaru ani zagrażać osobom uciekającym w pobliżu takiej konstrukcji. Jest on zatem ograniczony do 15 kW/m2.

Czas odporności ogniowej

Okres odporności ogniowej definiuje się jako czas, przez który konstrukcja musi wytrzymać skutki pożaru lub spełniać wymagany stan graniczny (lub kilka stanów granicznych). Okres odporności ogniowej określa się w minutach. Podstawowe okresy klasyfikacyjne wynoszą 15, 30, 45, 60, 90, 120 i 180 minut.

Obciążenie podczas odporności ogniowej

Zgodnie z Eurokodem, można w uproszczeniu przyjąć, że ekstremalne obciążenie podczas pożaru wynosi  70% kombinacji obciążeń dla SGN.

Metody sprawdzania odporności ogniowej

Metody projektowania różnią się podejściem, dokładnością i złożonością obliczeń. Przy analizie krytycznego elementu można zastosować metodę tabelaryczną, która jest najbardziej zachowawcza.

Jeśli sprawdzenie normowe nie jest zadowalające, istnieje możliwość przejścia do bardziej precyzyjnych metod, takich jak Izoterma 500 lub tzw. Metoda strefowa. W przypadku analizy części konstrukcji lub całej konstrukcji można zastosować symulacje numeryczne, takie jak przewodzenie, konwekcja lub promieniowanie. 

Podstawowe założenia metody tabelarycznej

• Wszystkie wartości dotyczą przede wszystkim kruszyw krzemionkowych (najbardziej podatnych na skutki pożaru)
• Dla kruszywa wapiennego najmniejszy wymagany wymiar elementu może być zmniejszony o 10%
• Wilgotność betonu musi być mniejsza niż 3%, w przeciwnym razie istnieje ryzyko eksplozywnego odpryskiwania
• Temperatura krytyczna zbrojenia betonowego wynosi 500 °C
• Temperatura krytyczna zbrojenia sprężającego wynosi 400 °C (pręty) lub 350 °C (cięgna i druty) 
• Odległość osiowa zbrojenia od powierzchni musi być mniejsza niż 70 mm, w przeciwnym razie należy uwzględnić zbrojenie powierzchniowe
• W przypadku wielu warstw zbrojenia należy obliczyć średnią odległość osiową od krawędzi, przy czym najmniejsza odległość osiowa dowolnej warstwy musi spełniać co najmniej kryterium R30
• Możliwa jest liniowa interpolacja między wartościami w tabelach
• Wartości podane w tabelach są wartościami minimalnymi i należy również przestrzegać zasad projektowania zgodnie z Eurokodem

Słupy 

Słupy są zazwyczaj sprawdzane normowo przy użyciu metody A lub B. Wybór metody zależy wyłącznie od decyzji inżyniera. Sprawdzenie normowe jest ważne dla słupów poddanych głównie ściskaniu osiowemu oraz dla konstrukcji usztywnionych.

Metoda A

• Maksymalna długość efektywna wynosi 3 m.
• Długość efektywna wynosi 0,7*L dla najwyższej kondygnacji i 0,5*L dla każdej kolejnej kondygnacji.
• Imperfekcje początkowe są mniejsze niż 15% wysokości przekroju.
• Maksymalna powierzchnia zbrojenia jest mniejsza niż 4% powierzchni przekroju betonowego.

Metoda B

• Metoda jest ważna wyłącznie dla konstrukcji usztywnionych. 
• Długość efektywna słupa może być większa niż 3 metry.

Belki

Sprawdzenie normowe elementów belkowych jest możliwe tylko dla przekrojów prostokątnych, teowych lub dwuteowych. W następnym kroku należy rozróżnić między belkami jednoprzęsłowymi a ciągłymi.

Płyty

Podobnie jak w przypadku elementów belkowych, należy wybrać między płytą swobodnie podpartą a płytą ciągłą. Kolejny aspekt dotyczy rozróżnienia między podporami w postaci ścian lub słupów.

a) Płyta jednokierunkowo zbrojona, b) Płyta dwukierunkowo zbrojona, c) Płyta ciągła – ściany, d) Płyta ciągła – słupy

Ściany

• Stosunek wysokości do grubości musi być mniejszy niż 40
• Odporność ogniowa EI – szczelność i izolacyjność, bez funkcji nośnej
• Odporność ogniowa REI – szczelność i izolacyjność, z funkcją nośną

Podsumowanie

Do sprawdzania normowego odporności ogniowej konstrukcji najczęściej stosuje się metodę tabelaryczną, dzięki której inżynier bardzo szybko uzyskuje wynik pozytywny lub negatywny. Często stosowane są również bardziej zaawansowane metody, takie jak Izoterma 500 lub Metoda strefowa. Metody zaawansowane są stosowane, gdy krytyczne elementy, takie jak słup, belka, ściana lub płyta, nie spełniają wymagań metody tabelarycznej. Numeryczne metody symulacji, takie jak przewodzenie, konwekcja lub promieniowanie, są stosowane głównie w środowisku akademickim. IDEA StatiCa RCS zawiera wspomniane metody tabelaryczne. Rozwój w IDEA StatiCa przenosi analizę z metod tabelarycznych na poziom metod numerycznych. Można zatem oczekiwać w niedalekiej przyszłości analizy niestacjonarnego przewodzenia ciepła w IDEA StatiCa Member.