Nowe narzędzia do cyfrowej optymalizacji grubości powłok ogniochronnych

2021-04-28 12:11 Materiał sponsorowany mgr inż. Władysław Gierej
Zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych
Autor: Carboline Polska W celu uzyskania wymaganej odporności pożarowej ( R ) konstrukcje budowlane zabezpiecza się ogniochronnie stosując do tego celu cienkowarstwowe ogniochronne powłoki malarskie, lub inne preparaty np. na bazie cementu lub np. obudowy skrzynkowe. Najbardziej powszechną forma zabezpieczeń pożarowych konstrukcji stalowych w klasach do R 60 są ogniochronne powłoki malarskie

Rozwój cyfrowych metod projektowania zachęca do wprowadzania do projektowania zaawansowanych metod obliczeniowych, które umożliwiają coraz bardzie realistyczną analizę konstrukcji a w tym oddziaływania termicznego na obiekt wywołanego pożarem.

Obecne możliwości obliczeniowe komputerów pozwalają na symulacje rozwoju pożaru w obiekcie oraz jego oddziaływania na obiekt, w tym oddziaływania na poszczególne elementy (konstrukcję nośną obiektu, systemy wentylacji, drogi ewakuacyjne).

Działanie temperatury na konstrukcje stalowe

Oprócz gazów podczas pożaru to temperatura jest jednym z najważniejszych czynników oddziaływania na konstrukcję obiektu, dlatego poświęca się jej działaniu tak wiele miejsca w procesie projektowania.

Każde oddziaływanie temperatury na obiekt powoduje odpowiedź termiczną obiektu.  Norma EN-1993-1-2-2005 AC 2009 punkt 4.3.2 Odpowiedź termiczna określa sposoby podejścia do tego zagadnienia, wskazując w zaawansowanych metodach obliczeniowych służących wyznaczaniu odpowiedzi termicznej na stosowanie zasad i założeń ogólnie przyjętych w teorii przepływu ciepła.

W modelu odpowiedzi termicznej uwzględnia się:

  • odpowiednie oddziaływania termiczne ujęte w EN 1991-1-2
  • zmianę właściwości termicznych materiału w zależności od temperatury
  • efekty związane z niejednorodnymi warunkami termicznymi i przepływem ciepła do sąsiadujących elementów budynku
  • wpływ stopnia zawilgocenia i związanej z tym migracji wilgoci

Oddziaływanie termiczne pożarów na konstrukcje stalowe powoduje stosunkowo szybką utratę nośności konstrukcji i jej zawalenie. Aby temu zapobiec wprowadzono wymóg zachowania odporności pożarowej R, czas mierzony w minutach, do utraty stateczności konstrukcji. To wymaganie określa Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 roku w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. W paragrafie 216 zamieszczono wymagane wartości odporności ogniowej R dla najważniejszych elementów budynku:

Elementy budynku, odpowiednio do jego klasy odporności pożarowej, powinny spełniać co najmniej wymagania określone w poniższej tabeli
Klasa odporności pożarowej budynku Klasa odporności ogniowej elementów budynku
główna konstrukcja nośna konstrukcja dachu strop ściana zewnętrzna ściana wewnętrzna przekrycie dachu
1 2 3 4 5 6 7
A R 240 R 30 REI 120 EI 120 EI 60 RE 30
B R 120 R 30 REI 60 EI 60 EI 30 RE 30
C R 60 R 15 REI 60 EI 30 EI 15 RE 15
D R 30 - REI 30 EI 30 - -
- - - - - - -

Zabezpieczenia ogniochronne konstrukcji budowlanych

Najchętniej w celu uzyskania wymaganej odporności pożarowej R konstrukcje budowlane zabezpiecza się stosując do tego celu cienkowarstwowe ogniochronne powłoki malarskie. Najbardziej powszechną forma zabezpieczeń pożarowych konstrukcji stalowych w klasach do R 60 są ogniochronne powłoki malarskie. Systemy ogniochronnych powłok malarskich na przykładzie jednej z powłok pokazano na rysunku. Powłokę ogniochronną oznaczono kolorem białym.

Systemy ogniochronnych powłok malarskich
Autor: Carboline Polska System ogniochronny FLAME STAL® FIRE PROOF SOLVENT

Wymagania dla powłók ogniochronnych

W celu zbadania i określenia odporności pożarowej powłoki malarskiej opracowano Europejski Dokument Oceny EAD 350402-00-1106, w którym określono wymagania, jakie powinna spełniać ogniochronna powłoka malarska, aby chroniła konstrukcję stalową w wymaganym czasie odporności ogniowej R.

W wyniku badań oraz po uzyskaniu oceny rezultatów producent otrzymuje dokument krajowy KOT lub europejski ETA zezwalający na stosowanie systemu do zabezpieczania ogniochronnego konstrukcji stalowych.

Dotychczas wydawane w Polsce i Europie dokumenty (KOT lub ETA ) nie spełniały jednego formalno-prawnego warunku – bezpośredniego powiązania wyników zawartych w tabelach wymaganych grubości powłok ogniochronnych z normą EUROKOD 3 Projektowanie konstrukcji stalowych EN-1993-1-2-2005 AC 2009 część 1-2: Reguły ogólne Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.

Dotychczas prezentowane w KOT lub ETA wymagania grubości powłoki wiążą wskaźnik masywności przekroju (U/A [m-1]) z temperaturą  krytyczną Tkr. Taki sposób analizy oraz prezentacji odpowiada dawnemu modelowi projektowania analogowego w którym z powodu ekonomicznych (duże koszty, brak narzędzi) trudno było przeprowadzić dokładną analizę obciążenia obiektu jak również oddziaływania pożaru (temperatury) na obiekt lub na poszczególne jego elementy. Optymalizacja grubości powłok zabezpieczenia pożarowego praktycznie sprowadzała się do wyznaczenia temperatury krytycznej Tkr dla całego obiektu lub poszczególnych stref a dalej na odczytywaniu z tabel KOT lub ETA grubości powłoki ogniochronnej.

W praktyce oznacza to, że niezależnie od obciążenia poszczególnych elementów obiektu i występujących w elementach wytężenia zakłada się że wszystkie elementy mają teoretycznie taką sama ekspozycję na oddziaływanie pożaru jak również taką sama temperaturę podczas pożaru, co oczywiście jest bardzo dużym przybliżeniem, a w niektórych przypadkach projektowania bardzo złożonych konstrukcji, gdzie wymagane jest zrównoważenie odkształceń, może być powodem ich niezrównoważenia podczas oddziaływania wysokiej temperatury. W zależności od wskaźnika µ0, wskaźnika wykorzystania nośności na początku pożaru (t=0) wg EN-1993-1-2-2005 AC 2009 część 1-2, źle dobrane powłoki mogą destabilizować konstrukcje w trakcie pożaru. Dlatego w starych metodach obliczeniowych zakłada się że wskaźnik µ0 ≥ 0,8, co odpowiada Tkr= ok 500 °C (dokładnie  496 °C).

dotychczasowy sposób odczytu wymaganych grubości powłok ogniochronnych
Autor: Carboline Polska Wyciąg z ETA-20/057 dotychczasowy sposób odczytu wymaganych grubości powłok ogniochronnych ( U/A=160 grubość powłoki 1,219 mm dla Tkr=500 stopni Celsjusza)

Brak powiązania wyników zawartych w KOT lub ETA ze wskaźnikiem µ0 bez ich dodatkowej adaptacji (ingerencja w zapisy lub interpretacja zapisów) jest formalną przeszkodą w celu bezpośredniego zastosowania określonych w KOT lub ETA grubości powłok ogniochronnych do cyfrowej analizy i optymalizacji zabezpieczenia ogniochronnego konstrukcji stalowej obiektu.

Cyfrowy dobór i optymalizacja grubości powłoki ogniochronnej

Mając na uwadze te braki oraz duży potencjał projektowo obliczeniowy obecnych biur projektowych uznaliśmy, że należy zmodyfikować dotychczasowy sposób oceny i prezentacji wyników oraz wprowadzić je w postaci formalno-prawnych zapisów w ETA. Pirosystem jako pierwsza w Polsce i Europie wprowadza narzędzie w postaci skorelowanego z Eurokod 3 EN-1993-1-2-2005 AC 2009 część 1-2, zapisu wymaganej grubości powłoki ogniochronnej. Narzędzie pozwala na dobór i optymalizację cyfrową grubości powłok ogniochronnych z uwagi na wymaganą  odporność ogniową R w zależności od wskaźnika µ0 – wskaźnik wykorzystania nośności na początku pożaru (t=0).

Stosując narzędzie optymalizacji grubości wszystkie elementy w strefie mogą mieć różną Tkr, lecz równą taką sama odporność ogniową R.

Wykresy grubości powłok w zależności od wskaźnika [ µ0 ]- wyciąg z ETA-20/057
Autor: Carboline Polska Wykresy grubości powłok w zależności od wskaźnika [ µ0 ]- wyciąg z ETA-20/057

Jak widać na rysunku, który stanowi wyciąg z ETA-20/057, element o masywności U/A 160 [m-1] – oznaczony strzałką – taki sam profil o masywności U/A = 160 m-1 można zabezpieczyć różnej grubości powłoką ogniochronną uzyskując wymaganą odporność ogniową R60. W tym przypadku dla doboru grubości powłoki należy znać projektowany wskaźnik µ0 – wskaźnik wykorzystania nośności na początku pożaru (t=0). Korzystając z obliczeń cyfrowych i Eurokod 3 powłoka ogniochronna w zależności od wartości wskaźnika µ0 może mieć grubość od 0,725 mm do grubości 1,262 mm. Pokazuje to na rysunku powyżej krzywa oznaczona strzałką.  Dla dotychczasowej prezentacji stałej Tkr =500°C wymagana grubość warstwy farby ogniochronnej wynosi 1,219 mm.

Korzystając z tak skorelowanych tabel i wykresów oraz możliwości cyfrowej techniki obliczeniowej, optymalizacja grubości powłok malarskich może być wprowadzana do stosowania bez przeszkód formalno-prawnych. Optymalizacja będzie miała również istotny wpływ na zachowanie konstrukcji podczas pożaru, jak również znacząco wpłynie na koszty wykonania zabezpieczenia ogniochronnego.

Zgodnie z ustawą o normalizacji, od kilku lat normy nie są obowiązkowe do stosowania, natomiast ich znajomość jest źródłem sukcesu w procesach projektowania poprzez uwalnianie niczym nie skrepowanej inżynierskiej wyobraźni dlatego każde udoskonalenie ułatwiające stosowanie cyfrowych metod obliczeniowych stanowi istotny krok do dalszego postępu i rozwoju procesów projektowych.

Partnerzy
Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej