R Kowalski WPPK 2010.pdf

Robert KOWALSKI *

ZABEZPIECZENIE POśAROWE

KONSTRUKCJI śELBETOWYCH

1. Wprowadzenie

Beton, w odróŜnieniu od stali, aluminium i drewna, charakteryzuje się naturalną

odpornością na działanie ognia i wysokiej temperatury. Nie oznacza to jednak, Ŝe

konstrukcje Ŝelbetowe mogą być projektowane, realizowane i eksploatowane bezkrytycznie,

bez uwzględnienia wymagań bezpieczeństwa poŜarowego.

Obecnie nikogo nie trzeba juŜ przekonywać, jak waŜne jest właściwe zabezpieczenie

obiektów budowlanych przed wystąpieniem lub skutkami poŜaru. Troska o zabezpieczenia

na wypadek poŜaru ma jednoznaczne umocowanie w aktach prawnych: Dyrektywie Rady

Wspólnot Europejskich [1] oraz w polskiej Ustawie Prawo Budowlane [2], w których,

wśród sześciu podstawowych wymagań stawianych obiektom budowlanym, na drugim

miejscu po nośności i stateczności konstrukcji jest wymienione bezpieczeństwo poŜarowe.

ZałoŜenia na temat zapewnienia bezpieczeństwa poŜarowego budowli moŜna znaleźć w

dokumencie interpretacyjnym [3] do dyrektywy [1]. Szczegółowe, obowiązujące w Polsce

przepisy są natomiast podane w rozporządzeniu [4]. W dokumencie tym, jak równieŜ w

załączniku nr 1 do dyrektywy [1], między innymi, znajduje się wymaganie, iŜ: budynek i

urządzenia z nim związane powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający

w razie poŜaru:

- nośność konstrukcji przez czas wynikający z rozporządzenia,

* Dr hab. inŜ., Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Lądowej,

e-mail: r.kowalski@il.pw.edu.pl

183

- ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku,

- ograniczenie rozprzestrzeniania się poŜaru na sąsiednie budynki,

- moŜliwość ewakuacji ludzi,

- uwzględnienie bezpieczeństwa ekip ratowniczych.

Z punktu widzenia projektanta konstrukcji kluczowe znaczenie ma zaproponowanie

takich rozwiązań, aby w przypadku wystąpienia poŜaru konstrukcja spełniła stawiane jej

wymagania.

W celu określenia tych wymagań, w pierwszej kolejności naleŜy ustalić [4] klasę

odporności poŜarowej budynku lub jego części. Z tego punktu widzenia budynki dzieli się

na [4]:

- mieszkalne, zamieszkania zbiorowego i uŜyteczności publicznej charakteryzowane

kategorią zagroŜenia ludzi, określane jako ZL,

- produkcyjne i magazynowe, określane jako PM,

- inwentarskie (słuŜące do hodowli inwentarza), określane jako IN.

Budynki określane jako ZL, zalicza się do jednej lub do więcej niŜ jedna spośród

następujących kategorii zagroŜenia ludzi [4]:

- ZL I - zawierające pomieszczenia przeznaczone do jednoczesnego przebywania ponad

50 osób, nie będących ich stałymi uŜytkownikami, a nieprzeznaczone przede wszystkim

do uŜytku ludzi o ograniczonej zdolności poruszania się,

- ZL II - przeznaczone przede wszystkim do uŜytku ludzi o ograniczonej zdolności

poruszania się, takie jak szpitale, Ŝłobki, przedszkola, domy dla osób starszych,

- ZL III - uŜyteczności publicznej, niezakwalifikowane do ZL I i ZL II,

- ZL IV - mieszkalne,

- ZL V - zamieszkania zbiorowego, niezakwalifikowane do ZL I i ZL II.

Klasę odporności poŜarowej budynków zaliczanych do kategorii ZL moŜna określić [4]

na podstawie tablicy 1.1, a budynków PM i IN wg tablicy 1.2. Wymagania dotyczące

budynków PM, odnoszą się równieŜ do garaŜy, hydroforni, kotłowni, węzłów

ciepłowniczych, rozdzielni elektrycznych, stacji transformatorowych, central telefonicznych

oraz innych budynków o podobnym przeznaczeniu.

NaleŜy zastrzec, Ŝe w [4] są jeszcze podane, nie przytoczone tu dodatkowe wymagania,

które w szczególnych przypadkach mogą powodować konieczność podwyŜszenia lub

obniŜenia klasy odporności poŜarowej odczytanej z tablicy 1.1 lub 1.2.

Tablica 1.1. Klasy odp o rności poŜar o wej budynk ó w zaliczany c h do kategor i i ZL [4]

Budynek

ZL I

ZL II

ZL III

ZL IV

ZL V

Niski (N)

Średniowysoki (SW)

Wysoki (W)

Wysokościowy (WW)

Występująca w tablicy 1.2 maksymalna gęstość obciąŜenia ogniowego jest sumą energii,

która moŜe być uwolniona przy spaleniu wszystkich materiałów palnych znajdujących się w

pomieszczeniu (łącznie z elementami budowlanymi), odniesioną do powierzchni podłogi.

Zalecenia na temat określania maksymalnej gęstości obciąŜenia ogniowego są podane w

normie [5].

184

Maksymalna

gęstość

obciąŜenia

ogniowego

Q [MJ/m 2 ]

Tablic a 1.2. Klasy odpo r ności poŜarowej budynków PM i IN [4]

Budynek wielokondygnacyjny

Budynek

o jednej kon-

dygnacji nad-

ziemnej

Niski (N)

Średnio-

wysoki

(SW)

Wysoki

(W)

Wysokościowy

(WW)

500

500 < Q

1000

1000 < Q

2000

2000 < Q

4000

Q > 4000

* Nie mogą występować takie budynki.

Na podstawie klasy odporności poŜarowej budynku określa się wymaganą odporność

ogniową poszczególnych elementów konstrukcyjnych. Wytyczne na ten temat

przedstawiono w tablicy 1.3 [4]. Tu równieŜ naleŜy zastrzec, Ŝe w [4] jest podanych jeszcze

wiele, nie przytoczonych tu dodatkowych wymagań, które w szczególnych przypadkach

mogą powodować konieczność podwyŜszenia lub obniŜenia klasy odporności ogniowej

odczytanej z tablicy 1.3.

Klasa

odporności

poŜarowej

budynku

Tablica 1.3. Klasy odporności ogniowej elementów budynku [4]

Klasa odporności ogniowej elementów budynku

główna

konstrukcja

nośna

konstrukcja

dachu

strop ściana

zewnętrzna

ściana

wewnętrzna

przekrycie

dachu

R 240

R 30

REI 120

EI 120

EI 60

RE 30

R 120

R 30

RE I60

EI 60

EI 30

RE 30

R 60

R 15

REI 60

EI 30

EI 15

RE 15

R 30

–

REI 30

EI 30

–

– Nie stawia się wymagań.

Czynności, które naleŜy przeprowadzić w celu wykorzystania tablicy 1.3 (tzn. określenie

klasy odporności poŜarowej rozpatrywanego obiektu) mogą się wydać projektantowi

konstrukcji nie do końca jasne i wymagające poszerzenia wiedzy oraz rozpatrywania

zagadnień nie dotyczących konstrukcji. W praktyce konstruktor najczęściej moŜe jednak

liczyć na pomoc głównego projektanta obiektu (zazwyczaj architekta) oraz rzeczoznawcy

do spraw ochrony przeciwpoŜarowej opiniującego przyjęte rozwiązania. Jednak od

momentu „wejścia” do tablicy 1.3, dalsze decyzje dotyczące przyjmowanych rozwiązań

konstrukcyjnych projektant musi juŜ podejmować indywidualnie.

Symbole klas odporności ogniowej występujące w tabl. 3 oznaczają odpowiednio:

R - nośność ogniową (wyraŜoną w minutach), wg [4], określoną zgodnie z Polską Normą

dotyczącą zasad ustalania klas odporności ogniowej elementów budynku,

E - szczelność ogniową,

I - izolacyjność ogniową.

185

Znaczenie słowa nośność (R) nie wymaga komentarza. Pojęcie szczelności (E) [5, 6]

odnosi się do zapobiegania przedostawania się płomieni i gorących gazów przez przegrody

budowlane. Pojęcie izolacyjności (I) [5, 6] odnosi się do ograniczenia wzrostu temperatury

występującej na nieogrzewanej powierzchni przegrody. Przykładem przegrody o

stosunkowo dobrej szczelności ogniowej, lecz praktycznie zerowej izolacyjności moŜe być

ściana wykonana z blachy stalowej.

Warto się jeszcze przez chwilę zastanowić, co właściwie oznacza pojęcie odporność

ogniowa, tym bardziej, Ŝe w normach nie jest ono zdefiniowane jednoznacznie.

Według [5] odporność ogniowa jest to zdolność konstrukcji, części konstrukcji lub

elementu do spełnienia wymaganych funkcji (nośnej i/lub oddzielającej) przy określonym

poziomie obciąŜenia, dla określonego oddziaływania poŜaru i przez określony czas .

Według [6] odporność ogniowa jest to zdolność obiektu do spełnienia w ustalonym

czasie wymagań, co do stateczności i/lub szczelności ogniowej i/lub izolacyjności ogniowej

i/lub innych oczekiwanych warunków określonych w normowym badaniu odporności

ogniowej .

W piśmiennictwie moŜna znaleźć jeszcze wiele podobnych, ale róŜniących się w

szczegółach definicji, które nie zostały tu przytoczone. Najistotniejsze jest jednak zwrócenie

uwagi na istotę pojęcia odporność ogniowa. OtóŜ nie moŜe być ono utoŜsamiane z

zachowaniem się konstrukcji w warunkach rzeczywistego poŜaru. Pojęcie to ma charakter

umowny i dotyczy zachowania się poszczególnych elementów konstrukcyjnych w ściśle

określonych warunkach, sprecyzowanych w opisie badań normowych.

Z punktu widzenia projektanta konstrukcji największe znaczenie praktyczne ma

określenie, jaka jest odporność (a w praktyce najczęściej nośność) ogniowa projektowanych

elementów. Nie ulega wątpliwości, iŜ najbardziej wiarygodnym sposobem oszacowania

nośności ogniowej jest przeprowadzenie badań eksperymentalnych według wymagań

normowych. Sposób ten moŜe jednak być (i często jest) stosowany jedynie w odniesieniu do

elementów o niezbyt duŜych wymiarach, produkowanych seryjnie (np. prefabrykaty lub

stropy gęstoŜebrowe). Przeprowadzenie badań ogniowych duŜych, indywidualnych,

monolitycznych konstrukcji Ŝelbetowych nie jest zazwyczaj moŜliwe. Konieczne jest zatem

stosowanie innych sposobów.

W Polsce, do niedawna jedynym powszechnie dostępnym źródłem informacji słuŜących

do prognozowania odporności ogniowej elementów Ŝelbetowych była instrukcja ITB [7].

Z podanych tam tablic, w zaleŜności od rodzaju elementu i wymaganej odporności

ogniowej, moŜna było określić dwa podstawowe parametry charakteryzujące tę odporność:

minimalne wymiary przekroju elementu oraz minimalną odległości środka cięŜkości

przekroju zbrojenia od krawędzi przekroju elementu. Parametry te stanowią pewnego

rodzaju uniwersalną miarę odporności ogniowej elementu Ŝelbetowego. JeŜeli jego przekrój

jest odpowiednio duŜy, to jego środkowa część, w warunkach poŜaru wolniej się nagrzewa.

Osłonięcie betonem zbrojenia opóźnia jego nagrzewanie się.

Zaletą instrukcji [7] była jej jednoznaczność i prostota stosowania. Wadą natomiast –

zbyt mała liczba podanych informacji, co w wielu przypadkach uniemoŜliwiało dokonanie

adekwatnej oceny. Obecnie naleŜy jednoznacznie stwierdzić, Ŝe instrukcja [7] nie moŜe być

juŜ stosowana.

Przełomowym krokiem do adekwatnego prognozowania odporności ogniowej

konstrukcji Ŝelbetowych było wprowadzenie Eurokodów [5, 8 i 9].

W Eurokodzie 2 [9], jak równieŜ w nowej instrukcji ITB [10], są podane tablice słuŜące

do prostego określenia minimalnych wymiarów przekroju elementu oraz minimalnej

186

odległości środka cięŜkości przekroju zbrojenia od krawędzi przekroju elementu, w

zaleŜności od jego rodzaju i wymaganej odporności ogniowej. Komentarz na temat tych

tablic przedstawiono w dalszej części tego opracowania.

Nowoczesnym i najbardziej wiarygodnym sposobem zapewnienia bezpieczeństwa

poŜarowego konstrukcji Ŝelbetowych jest jednak rozpatrywanie poŜaru jako wyjątkowej

sytuacji obliczeniowej, w której są sprawdzane stany graniczne nośności.

2. PoŜar jako wyjątkowa sytuacja obliczeniowa konstrukcji

2.1. Istota rozpatrywania poŜaru jako wyjątkowej sytuacji obliczeniowej

W trwałej sytuacji obliczeniowej o tym, czy konstrukcja odpowiada stawianym jej

wymaganiom decyduje spełnienie warunku stanu granicznego nośności [8]:

d R

(2.1)

lub warunku stanu granicznego uŜytkowalności (w przypadku konstrukcji Ŝelbetowych

najczęściej jest to warunek ograniczenia ugięcia, a rzadziej szerokości rozwarcia rys):

d C

(2.2)

Wartość obliczeniową oddziaływań, w trwałej sytuacji obliczeniowej, w stanie

granicznym nośności, moŜna wyrazić wzorem [8]:

∑

(2.3)

lub alternatywnie [8], jako mniej korzystną z określonych wg jednego z dwóch wyraŜeń:

∑

(2.3a)

∑

(2.3b)

Obliczeniową nośność elementu Ŝelbetowego określa się w postaci funkcji:

{

}

{

}

(2.4)

W wyjątkowej sytuacji obliczeniowej poŜaru zasadne jest rozpatrywanie jedynie

warunków stanu granicznego nośności. Wartość obliczeniową efektu oddziaływań moŜna

wtedy wyrazić wzorem [8]:

Oznaczenia symboli występujących we wzorach podano na końcu opracowania.

187

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: