Projektowanie konstrukcji na wypadek pożaru zgodnie z EN 1993-1-2 (zachowanie podczas ogrzewania)

Ogólne zachowanie stali podczas ogrzewania

Stal składa się z siatki kryształów, w której poszczególne kryształy w normalnej temperaturze poruszają się wokół punktu spoczynkowego. Ruch ten zmniejsza się wraz z osiągnięciem zera bezwzględnego temperatury -273°C i zwiększa się podczas nagrzewania. Ze względu na ruch kryształów wokół punktu spoczynkowego, ciągliwość stali' wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Tymczasem wytrzymałość stali maleje. Ze względu na utratę wytrzymałości, ochrona niezabezpieczonych elementów przed skutkami pożaru bez dodatkowych środków jest dość trudna, ponieważ stal straciła już 50% swojej wytrzymałości w temperaturze 600°C. Z tego powodu jest on zwykle przeciążony, ponieważ w konwencjonalnej konstrukcji stalowej uwzględnia się obecnie rezerwy plastyczne konstrukcji w stosunku do materiału. Na przykład, jeżeli stal obrabiana na zimno lub cieplnie jest poddana naprężeniom termicznym, utraciła już swoje wzmocnienie w temperaturze 400°C zgodnie z metodą obliczeniową opisaną powyżej. Ponadto stal ma tę wadę, że rozszerzalność cieplna występuje wraz ze wzrostem temperatury, która jest bardzo wysoka w porównaniu z innymi materiałami budowlanymi. Może to prowadzić do efektów wynikających z utwierdzeń w elemencie, które nie występowały w obliczeniach w normalnej temperaturze.

Stal ma słabe właściwości termiczne dla budownictwa, zwłaszcza pod względem odporności ogniowej. Wzrost temperatury zależy od masywności elementu stalowego. Oznacza to: Im bardziej masywny element, tym więcej energii może wchłonąć. Jeżeli powierzchnia jest równa, a objętość jest zwiększona, temperatura w elemencie konstrukcyjnym jest niższa. Ta właściwość komponentu jest nazywana współczynnikiem przekroju A/V. Jest to stosunek pola powierzchni do objętości elementu na jednostkę długości. W normie DIN 4102 współczynnik ten był nadal określany jako stosunek U/A i odnosił się do stosunku obwodu do powierzchni, chociaż jest taki sam, jeśli przekrój odnoszący się do długości nie ulega zmianie. Eurokod [5] udostępnia tabele ułatwiające obliczanie tego współczynnika przekroju.

Współczynnik przekroju Am/V dla niezabezpieczonych elementów stalowych (Źródło: [5])

Nagrzewanie się chronionych elementów stalowych

W przypadku ognioodpornych konstrukcji stalowych zachowanie cieplne zmienia się w kierunku dodatnim, ponieważ słabe właściwości temperaturowe stali są kompensowane przez system ochrony przeciwpożarowej. Systemy ochrony przeciwpożarowej składają się zazwyczaj z materiałów o niskiej przewodności cieplnej. Ponadto takie materiały mają zwykle wysoką pojemność cieplną (pojemność akumulacyjną). Trwałość odporności ogniowej można znacznie wydłużyć poprzez zastosowanie pasywnych systemów ochrony przeciwpożarowej. Materiały te są często bardzo ciężkie i dlatego należy je uwzględnić w analizie statyczno-wytrzymałościowej. Jednak norma EN 1993-1-2 nie zawiera informacji o właściwościach materiałowych opasań lub okładzin, ponieważ zależą one od ich producenta. Z tego powodu brakuje wartości istotnych dla analizy statyczno-wytrzymałościowej elementów ognioodpornych, które zostały w międzyczasie przedstawione w krajowym dokumencie stosowania dla materiałów budowlanych dopuszczonych zgodnie z DIN 4102-4. Współczynnik przekroju takich elementów konstrukcyjnych składa się z następujących elementów.

Pusta obudowa: Wydrążone obramowanie jest zwykle najlepsze, ponieważ obramowanie przekroju zmniejsza obwód elementu konstrukcyjnego, przy czym powierzchnia pozostaje taka sama. W ten sposób zmniejsza się współczynnik przekroju, co zwiększa masywność elementu konstrukcyjnego. Jako okładzinę często stosuje się ogniochronne płyty gipsowo-kartonowe lub płyty silikatowe. Wszyscy liczący się producenci takich płyt zapewniają również odpowiednie systemy płyt, w tym właściwości odporności ogniowej.

Obramowanie konturu: W przypadku konieczności zachowania wyglądu konstrukcji stalowej, zaleca się zastosowanie obejścia konturowego, oblicówki lub systemu tynkowania. Wadą osłon konturowych jest współczynnik przekroju, ponieważ nie ulega on zmianie. Typy okładzin to zazwyczaj systemy tynkowe lub okładziny z płyt. W celu nałożenia systemów tynkowych, do belek mocuje się zwykle kraty z drutu, które podtrzymują system tynkarski. Okładzina z wykorzystaniem systemów płytowych jest podobna do okładziny z obudową kanałową, jednak wymaga to większego nakładu pracy, ponieważ systemy płytowe muszą zostać przycięte na wymiar. Alternatywnie można zastosować izolację pęczniejącą, która jest rodzajem osłony konturowej i jest nakładana na element konstrukcyjny. Ten środek pęczniejący pęcznieje po podgrzaniu i działa jak warstwa izolacyjna między elementem konstrukcyjnym a otaczającym go obszarem. Nie opracowano jednak metody obliczeniowej dla tego typu okładziny, ponieważ właściwości tego materiału w wysokich temperaturach zwykle nie są dokładnie znane lub są zbyt rozproszone.