Beton i żelbet to, obok stali, najczęściej wykorzystywane elementy konstrukcyjne w budownictwie wielkokubaturowym. Choć materiał ten jest niezwykle wytrzymały mechanicznie, to praktycznie jak każdy prędzej czy później ulega działaniu ognia. W niniejszym poradniku przyglądamy się zachowaniu konstrukcji betonowych w warunkach pożarowych, a także omawiamy prawidłowe sposoby na zabezpieczenie słupów, ścian nośnych oraz belek ciągłych.
Elementy układu konstrukcyjnego, takie jak słupy, kolumny, ściany, płyty czy belki, pełnią dwie podstawowe funkcje: nośną i oddzielającą. W pierwszym przypadku chodzi oczywiście o podtrzymanie odpowiedniej nośności i stateczności budynku, w drugim – o zapewnienie szczelności oraz izolacyjności poprzez ograniczenie penetracji płomieni i gorących substancji przez otwory konstrukcyjne, jak również zatrzymanie przyrostu temperatury na powierzchniach niepoddanych bezpośredniemu działaniu ognia.
W konstrukcjach żelbetowych beton skutecznie otula pręty zbrojeniowe, oprócz niezbędnej nośności zapewniając określony poziom ochrony przed ogniem. Skuteczność owej ochrony zależy m.in. od kompozycji samego materiału – rodzaju wykorzystanego kruszywa czy zawartości wilgoci. Dla przykładu: lekki beton przy wyższych temperaturach zachowuje się lepiej, niż beton o tradycyjnym kruszywie żwirowym. Materiał poddany wcześniejszemu obciążeniu jest mocniejszy, niż beton zbrojony. Ten pierwszy ma jednak większą tendencję do kruszenia się.
Beton kontra ogień – przebieg starcia
W warunkach pożaru beton przejawia wiele wartościowych cech – jest niepalny, nie emituje dymu i nie wytwarza niebezpiecznych, płonących kropli. Wzrostowi temperatury towarzyszy jednak szereg procesów, które wpływają na właściwości mechaniczne materiału. – Następuje wówczas wydłużenie termiczne składników betonu, parowanie wilgoci, przyrost ciśnienia w porach oraz pogorszenie właściwości mechanicznych samego betonu i stali zbrojeniowej – wymienia Adam Buszko, ekspert w firmie Paroc Polska. – Z uwagi na wysokie gradienty temperatur, gorące warstwy powierzchniowe oddzielają się od chłodniejszego wnętrza, szczególnie w złączach czy słabiej zagęszczonych obszarach betonu, wystawiając pręty zbrojeniowe na działanie ognia – dodaje.
Co dzieje się dalej? Po przekroczeniu temperatury ok. 300°C następuje spadek wytrzymałości dla betonów zwykłej wytrzymałości. Przy temperaturze przekraczającej 600°C beton staje się zaś praktycznie nieprzydatny jako materiał konstrukcyjny, gdyż jego wytrzymałość na ściskanie spada nawet o połowę. Dla porównania: przeciętnie pożar w budynku trwa od kilku minut do maksymalnie kilku godzin. W tym czasie temperatura osiąga poziom 800-1000°C.
Dodatkowo występować może niebezpieczne zjawisko odpadania i eksplozyjnego odpryskiwania od powierzchni nagrzewanych kawałków betonu, co może prowadzić do uszkodzeń instalacji przeciwpożarowych takich jak spryskiwacze czy kable zasilające wentylatory oddymiające.
Jak określać odporność ogniową konstrukcji?
Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru określa się na podstawie normy PN-EN 1991-1-2 , z której inwestorzy, projektanci, wykonawcy oraz właściwe władze publiczne korzystają w celu opracowania szczegółowych wymagań ogniochronności. Cennych wskazówek dostarczają także Wytyczne Instytutu Techniki Budowlanej nr 409/2005 „Projektowanie elementów żelbetowych i murowych z uwagi na odporność ogniową”, które zawierają tabele, na podstawie których można ustalić klasę odporności ogniowej pojedynczego elementu w zależności od poziomu obciążenia, wymiarów geometrycznych przekroju poprzecznego i otuliny zbrojenia. W poniższych tabelach podano przykładowe charakterystyki odporności ogniowej słupów, ścian nienośnych i nośnych oraz belek ciągłych.
Tabela 1. Minimalna osiowa odległość zbrojenia w przypadku słupów prostokątnych i okrągłych.
Uwaga: w przypadku słupów okrągłych należy przyjmować, iż ekspozycja z jednej strony oznacza oddziaływanie pożaru na co najmniej 25% obwodu słupa. *co najmniej 8 prętów.
Tabela 2. Minimalne wymiary ścian nośnych i niezbrojonych i zbrojonych.
Tabela 3. Minimalne wymiary przekroju belek swobodnie podpartych.
asd = a + 10 mm (asd – odległość osiowa prętów narożnych od boku belki. W przypadku, gdy szerokość belki jest większa, niż podana w kolumnie 4, nie jest wymagane powiększenie odległości osiowej).
Beton i wełna kamienna – zgrana para
Aby zwiększyć nośność ogniową danego elementu betonowego, wykorzystać można wykonaną z tego samego materiału dodatkową warstwę ochronną tudzież izolację przeciwogniową stanowiącą bierny środek ochrony przeciwpożarowej. W tym drugim przypadku szczególnie dobrze sprawdza się wełna kamienna. Dobierając odpowiednie rozwiązanie, warto kierować się kryterium niepalności i gęstości – im wyższa, tym lepiej z punktu widzenia bezpieczeństwa ogniowego.
– Materiał ten posiada wyjątkowe właściwości, dzięki którym może być stosowany do zabezpieczania konstrukcji o bardzo wysokich wymaganiach, na przykład w przemyśle stoczniowym czy innych typach budownictwa wielkokubaturowego – podkreśla Adam Buszko. – Wełna kamienna PAROC nie rozszerza się, ani nie kurczy pod wpływem działania ekstremalnych temperatur lub zmian wilgotnościowych. Dzięki temu na złączach płyt nie pojawią się pęknięcia, co jest niezmiernie ważne w kontekście izolacji przeciwpożarowej elementów konstrukcyjnych – dodaje.
Większość wyrobów z wełny kamiennej posiada Euroklasę reakcji na ogień A1, co oznacza produkt niepalny. Dla tego materiału temperatura topnienia włókien wynosi powyżej 1000°C, co pozwala na dłuższą ochronę przed ogniem oraz zapobieganie rozprzestrzenianiu się płomieni w razie pożaru. Poniższy wykres przedstawia, jak poszczególne technologie izolacyjne zachowują się w warunkach pożaru.
Wykres 1. Zachowanie się materiałów izolacyjnych w trakcie pożaru.
Producenci izolacji budowlanych dostarczają gotowe obliczenia grubości płyt izolacyjnych dla poszczególnych wartości wytrzymałości ogniowej konstrukcji przy standardowym narażeniu na ogień. W tym celu dokonuje się oceny izolacji zgodnie z EN 13381-3: 13.4 i EN 1363-1. Wyniki odpowiednika grubości w stosunku do grubości ochrony przeciwpożarowej i odporności ogniowej (czas testu) dla płyt i belek określa się zgodnie z EN 13381-3: Aneks C.
– Przykładowo, zgodnie z podanymi danymi, dla 30-minutowej ochrony ogniowej betonu zastosować wolno 49-milimetrową warstwę ochronną betonu, którą mierzymy od osi zbrojenia do spodniej powierzchni. Alternatywnie, jeżeli stal znajduje się na głębokości 15 mm, wykorzystać możemy płytę z wełny kamiennej PAROC FPS 17 o grubości jedynie 20 mm – podsumowuje Adam Buszko z Paroc Polska.
W poniższej tabeli można znaleźć ekwiwalent grubości betonu przy izolacji płytami ognioochronnymi PAROC FPS 17.
