Jak dobrać właściwy system zabezpieczenia konstrukcji stalowych?

Dzisiejsze trendy w zakresie konstrukcji budynków skierowane są na wzmożone użycie stali do ich budowy. Według danych Hutniczej Izby Przemysłowo-Handlowej w roku 2016 krajowe zużycie stali osiągnęło rekordowy poziom 13,1 mln ton. Stal zapewnia wiele korzyści w zakresie produkcji, konstrukcji, architektury i użytkowania. Bez wątpienia, recykling jest tutaj jedną z najbardziej oczywistych korzyści, jako że osiągany jest prawie 100% odzysk.

Odporność stali na korozję i jej niska zdolność do przenoszenia obciążeń w przypadku pożaru mogą być uważane za dwie najbardziej problematyczne właściwości stali. Oba te problemy mogą zostać rozwiązane przez zastosowanie odpowiednich środków do zabezpieczenia stali. Mimo, że stal sklasyfikowana jest jako materiał niepalny, w wysokich temperaturach traci ona część swoich właściwości, tak więc w przypadku pożaru szybko dochodzi do deformacji i zawalenia się konstrukcji stalowej, co widać wyraźnie na wykresie 1.

Wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność w zależności od temperatury stali węglowej.

Tak więc kluczowym problemem w zakresie ochrony konstrukcji stalowych staje się kwestia utrzymania temperatury stali poniżej pewnego poziomu przez określony czas i sposobu utrzymania wymaganej zdolności do przenoszenia obciążeń, deformacji i wydłużenia w przypadku wystąpienia podwyższonej temperatury. Projektant zabezpieczeń przeciwpożarowych określa podstawowe wymogi w zakresie bezpieczeństwa pożarowego dla danego budynku. Jeżeli zdecyduje się wykonać projekt zgodnie z przepisami europejskimi, zdolność do przenoszenia obciążeń, np. R30, R60, R90, R120, R180 itd. może być wymagana dla konstrukcji stalowej. Oznaczenie R określa zdolność do przenoszenia obciążeń konstrukcji stalowej dla wskazanego czasu, podanego w minutach.

Obecnie istnieją różnorodne rozwiązania służące do ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowych. Przeważają trzy następujące systemy: pęczniejące farby ognioochronne, okładziny z płyt ognioochronnych, oraz ognioochronne środki natryskiwane. Największy odsetek stanowią farby pęczniejące, stanowiące około 70%, okładziny z płyt ognioochronnych stanowią około 25%, a natryskiwane środki ognioochronne - około 5%. Dodatkowo, istnieją także inne systemy takie jak okładziny z arkuszy ognioochronnych, zalewanie kolumn stalowych w betonie, częściowe zalewanie betonem, wypełnianie kolumn cegłami ze spienionego betonu, oraz zalewanie belek do połowy betonem w konstrukcji stropu. Aczkolwiek popularność zastosowania tych metod systematycznie spada.

Pęczniejące farby ognioochronne stanowią najczęściej stosowany system ochrony konstrukcji stalowych. Dzielą się one na farby cienkowarstwowe - w większości na bazie wody lub rozpuszczalnika i farby grubowarstwowe - na bazie epoksydów, przeznaczone głównie do ochrony przed pożarami, gdzie paliwem są materiały węglowodorowe.

Cienkowarstwowe farby pęczniejące stanowią system przeważający, w szczególności ze względu na ich produkcję i stosowanie, które są przyjazne dla środowiska, a także dobre właściwości utwardzonej powłoki. Przed zastosowaniem podkładu profile stalowe powinny zostać poddane piaskowaniu do standardu Sa 2.5. Najpierw należy nałożyć odpowiedni podkład antykorozyjny, następnie farbę pęczniejącą i ostatecznie, w większości przypadków, warstwę ochronną - warstwę wierzchnią, którą może być ogólnodostępna farba do malowania stali, lecz musi być ona odpowiednia dla powłoki pęczniejącej. Oprócz ochrony przed wilgocią, warstwy ochronne pełnią także funkcję estetyczną, jako że występują w różnych kolorach.

Reakcja powłoki pęczniejącej na ogień

Farby pęczniejące są systemem najszerzej stosowanym, głównie z następujących powodów: są one najtańsze, stosowana jest cienka warstwa, utrzymują oryginalny wygląd konstrukcji stalowej i są estetyczne. Mogą być nakładane już Wytwórniach Konstrukcji Stalowych lub na miejscu budowy - w zależności od rodzaju farby i warunków pogodowych. Jako ograniczenia stosowania farb ognioochronnych możemy uznać ich wrażliwość na warunki, w których są nakładane, na przykład, gdy korozja nie zostanie odpowiednio usunięta z belek poprzez piaskowanie, gdy farba nakładana jest w zbyt niskiej temperaturze (w temperaturach poniżej 10°C nakładanie jest już praktycznie niemożliwe), gdy nakładana jest w deszczu lub w temperaturze punktu rosy, a także gdy zostanie zastosowany niewłaściwy podkład lub warstwa wierzchnia. Farby należy nakładać z zastosowaniem natryskiwania airless lub ręcznie przy użyciu wałków do malowania. Przy wyższych klasach odporności ogniowej wymagane jest zastosowanie kilku warstw. Czas nakładania może być traktowany jako ograniczenie, jako że należy wziąć pod uwagę, że wymagane jest pośrednie suszenie warstw (zazwyczaj przez okres 24 godzin). Farby pęczniejące posiadają ograniczoną gwarantowaną żywotność i są względnie wrażliwe na abrazję i uderzenia. Odporność ogniowa farb pęczniejących może oscylować w zakresie R30 do R180. Najbardziej zalecane jest stosowanie maksymalnie R60. Powyżej tej wartości liczba warstw i grubość stają się nieracjonalne, spada także ich właściwa niezawodność w przypadku pożaru, jako że warstwy mają tendencję do odpadania. W dalszej kolejności należy powiedzieć o szczególnym problemie dotyczącym badań farb ognioochronnych, a mianowicie o fakcie, że badania przeprowadzone na otwartych profilach I, H i U nie stosują się dla profili zamkniętych i vice versa.

Okładziny elementów stalowych z płyt z krzemianu wapniowego Promatect-XS

Płyty ognioochronne stanowią kolejny system służący do ochrony konstrukcji stalowych przed działaniem ognia. Zazwyczaj są to płyty mineralne (np. wykonane z krzemianu wapniowego) wzmocnione włóknami i wypełniaczami. W zależności od producenta, mogą one być także odporne na wilgoć i mróz oraz mogą być pokrywane farbami dekoracyjnymi. Grubość płyty zależy od producenta i poziomu ochrony przeciwpożarowej, w zakresie od 10 mm do 60 mm. Płyty instalowane są na miejscu budowy i są odpowiednie dla ochrony od R30 do R180, przy czym zaleca się stosowanie powyżej R60. Procedury obróbki i montażu są względnie proste (cięcie za pomocą piły, przykręcanie, mocowanie z użyciem zszywek). Jako, że nie istnieją ograniczenia w zakresie czasu i temperatury stosowania, płyty mogą być nakładane przez cały rok. Płyty ognioochronne stanowią najpewniejszą ochronę konstrukcji stalowych – są badane zgodnie z EN 13381-4, ich palność jest sklasyfikowana zgodnie z EN 13501-1 a odporność ogniowa zgodnie z EN 13501-2. Płyty powinny posiadać Europejską Ocenę Techniczną ETA, wydaną zgodnie z ETAG 018, Deklarację Właściwości Użytkowych wyrobu (DoP), które łącznie pozwalają na wydanie oznaczenia CE, lub wszelkie inne świadectwa zgodnych z prawem dotyczącym wyrobów budowlanych. Oprócz zastosowania jako okładziny bezpośrednie, możliwe są także inne opcje zastosowania płyt ognioochronnych. W praktyce często może się zdarzyć, że obłożenie konstrukcji stropu okazuje się zbyt złożone lub zbyt drogie.

Uwaga: Systemy membran ognioochronnych przebadane zgodnie z EN 1364-2 są w takich przypadkach niewystarczające i nie zapewniają zdolności do przenoszenia obciążeń konstrukcji.

Natryskiwana zaprawa ognioochronna na elemencie stalowym

Co musimy wiedzieć podejmując decyzję w zakresie wyboru typu ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowej?

Najważniejszym czynnikiem jest z pewnością określenie przewidzianego zastosowania budynku. Dla centrum handlowego lub budynku reprezentacyjnego lepszym wyborem będzie z pewnością użycie farby ognioochronnej, dla uzyskania większej odporności i estetyki bardziej odpowiednie są płyty ognioochronne, a dla chropowatych struktur, które nie są widoczne rozsądny wybór stanowią natryskiwane zaprawy ognioochronne. Podstawową informacją wymaganą przy doborze systemu ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowej jest klasa odporności ogniowej, którą może być R30, R60, R90 itd.

Przy doborze ochrony przeciwpożarowej dla konstrukcji stalowej ważną informacją jest, na jakie warunki wystawiona będzie konstrukcja stalowa. Dlatego konieczna jest wiedza, czy rozważane jest zastosowanie we wnętrzach, miejscach częściowo odsłoniętych (wystające dachy różnego rodzaju, itp.), czy też na zewnątrz. Dalej, należy wiedzieć, czy mogą wystąpić warunki wysokiej wilgotności, powodujące korozję, czy też jakiekolwiek inne warunki szczególne. Rozważając farby lub zaprawy odporność ogniowa konstrukcji stalowej może zostać określona z pomocą kategorii zgodnie z ISO 12944.

Tabela 1: Atmosfera powodująca korozję zgodnie z ISO 12944

Kategoria korozyjności Próbki atmosfery powodującej korozję

W praktyce, problem stanowi fakt, że kategorie dotyczące korozji zgodnie z ISO 12944 nie są bezpośrednio przekładane na kategorie mające ważność w ramach grupy europejskich wytycznych technicznych ETAG 018 dla systemów ochrony przeciwpożarowej.

Tabela 2: Atmosfery powodujące korozję zgodnie z ETAG-018 dla ognioochronnych farb, płyt i środków natryskiwanych.

Producenci systemów ognioochronnych są zobowiązani do przeprowadzenia badań zgodnie ze standardami EN 13381 i mogą zaprezentować kategorię zastosowań zgodnie z ETAG 018; jeżeli chodzi o powłoki antykorozyjne, konstrukcja stalowa jest zazwyczaj określana zgodnie z ISO 12944. W praktyce, może to powodować znaczne problemy. Wymagane jest wykonanie dodatkowych badań w celu określenia porównywalności obu kategorii, co może zostać wykazane przez producenta w raporcie ETA.

Kolejną rzeczą, którą należy znać jest temperatura krytyczna konstrukcji stalowej lub pojedynczej belki. Temperatura krytyczna jest to taka temperatura, przy której dana konstrukcja stalowa, lub pojedynczy element traci swoją zdolność do przenoszenia obciążeń przy danym obciążeniu. Wartość ta wyliczana jest przez projektanta z zastosowaniem Eurokodów i zazwyczaj leży w granicach od 500°C do 550°C, lecz nie jest to konieczne we wszystkich przypadkach. Im wyższa jest temperatura krytyczna, tym mniej ochrony wymaga konstrukcja i vice versa. Szczególnie problematyczne mogą być struktury z profili cienkościennych kategorii 4, które, jeżeli ich temperatura krytyczna nie zostanie wyliczona indywidualnie, automatycznie zaliczane są do grupy temperatury krytycznej 350°C. Projektant konstrukcji stalowej powinien określić w swojej dokumentacji temperaturę krytyczną dla całej konstrukcji, a opcjonalnie dla jej pojedynczego elementu. Znaczące ograniczenia dla decyzji w zakresie wyboru systemu mogą wynikać z czynników takich jak masa ochrony przeciwpożarowej, estetyka, wilgotność, odporność mechaniczna, wymogi dotyczące klasy niepalności, instalacja na sucho, małe wymiary profilu (kategoria 4), niskie temperatury czy czas montażu. Tabela 3 pomaga dokonać wyboru odpowiedniego rozwiązania.

Tabela 3: Tabela do doboru odpowiedniego systemu do ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowych

W celu określenia wymaganej grubości warstwy ochrony przeciwpożarowej konieczne jest podanie szczegółowego opisu typów profili stalowych, co pomaga w wyliczeniu współczynnika przekroju.