Konstrukcje stalowe i zabezpieczenie ogniochronne cz. I

Konstrukcje stalowe 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.

Konstrukcje stalowe: 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:

• oprzeć się działaniom, które mogą zajść podczas budowy i użytkowania;
• zachowywać się właściwie w normalnych warunkach użytkowania;
• utrzymać konstrukcyjną całość w razie wypadku takiego, jak pożar, wybuch lub miejscowe uszkodzenie.

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 m²), 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:  

• masy własnej budynku;
• efektu żagla poprzez oddziaływanie wiatru na duże płaszczyzny pionowe;
• dużych problemów z ewakuacją ludzi przebywających w obiekcie oraz prowadzenia w ich wnętrzu działań ratowniczo-gaśniczych;
• dużej liczby osób nie znających topografii budynku i możliwości ewakuacji; terroryzmu.

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. 670^oC.

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

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