Konstrukcje stalowe i zabezpieczenie ogniochronne cz. II

Wysokościowce stają się coraz wyższe, hale produkcyjne czy magazynowe coraz większe. Znajdują się w nich dziesiątki lub tysiące ludzi na raz, tony sprzętów, materiałów, urządzeń, mebli oraz instalacje technologiczne transportujące dowolne substancje... Dlatego budynkom o konstrukcji stalowej stawia się szczególne wymagania bezpieczeństwa pożarowego.

Zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji stalowych cz. I

Powłoki ogniochronne elementów konstrukcji stalowych

Niekorzystny wpływ warunków pożarowych, a w szczególności wysokiej temperatury mają zminimalizować powłoki ochronne.
Ich sposób działania jest bardzo różny:
– mniejszy współczynnik przenikania ciepła;
– duża wilgotność;
– zmiana rozmiarów (co wpływa korzystnie na zmianę wskaźnika masywności) pod wpływem wzrostu temperatury (np. pęcznienie);
– duża pojemność cieplna.

Różne są rodzaje i efektywność działania powłok (otulin) ochronnych, sposób ich zamocowania na chronionym elemencie, ich skuteczność, ale cały czas cel jest ten sam - minimalizacja przyrostu temperatury chronionego elementu.
Nadal bardzo ważnym parametrem jest wskaźnik masywności elementu, ale pozostałe stałe jego cechy charakterystyczne (jak m.in.: współczynnik przejmowania ciepła, ciepło właściwe czy przenikliwość cieplną) przejmują powłoki ochronne. To dzięki nim stal nabiera cech odporności ogniowej, dzięki czemu może być wykorzystywana jako samodzielny materiał konstrukcyjny w nowoczesnym budownictwie.

Farby pęczniejące

Farby pęczniejące są izolacją ogniochronną, która może nadawać elementom stalowym odporność ogniową od R 15 do R 60. Ich działanie polega na przyroście objętości powłoki pod wpływem temperatury. Dzięki niskiej przenikliwości cieplnej oraz zmiane objętości, podwyższa się także współczynnik masywności elementu chronionego, a powłoka pozwala na osiągnięcie odporności ogniowej stali.
Farby pęczniejące sprzedawane są w formie zestawów, w których znajdują się:

• farba podkładowa (grunt) - przystosowuje podłoże do jak najlepszego połączenia się z farbą zasadniczą;
• farba zasadnicza - właściwa powłoka pęczniejąca o własnościach ogniochronnych;
• farba nawierzchniowa - dzięki niej chroniony element nabiera walorów estetycznych poprzez odpowiednio dobrany kolor i połysk lub jego brak.

Podstawowymi zaletami farb pęczniejących są:

• łatwość pokrycia elementów, co jest szczególnie istotne dla konstrukcji stalowych kratowych lub stężonych, gdzie występuje duża liczba elementów, połączonych ze sobą często w skomplikowane struktury;
• estetyka zabezpieczanych elementów (różnorodna kolorystyka i mnogość faktur);
• szybkość wykonywanych prac ochronnych, co korzystnie wpływa na koszty inwestycji.

Jednym z najważniejszych parametrów farby pęczniejącej jest grubość powłoki, gdyż to ona bezpośrednio wpływa na poziom odporności ogniowej chronionego elementu. Grubość powłoki jest bezpośrednio uzależniona od wskaźnika masywności oraz temperatury krytycznej.
Łatwość stosowania farb pęczniejących nie jest pozbawiona ryzyka błędów, a do najczęstszych należy złe przygotowanie podłoża (np. niewystarczające odtłuszczenie lub wyczyszczenie powierzchni), co może powodować późniejsze odrywanie się fragmentów lub nawet całych połaci farby od chronionego materiału. Dlatego należy prowadzić obserwacje zabezpieczonych w ten sposób konstrukcji, aby w porę zauważyć braki w warstwie izolacyjnej.
Podstawowym ograniczeniem tej technologii jest możliwość wytwarzania parametru odporności ogniowej tylko do R 60, co w wielu obiektach jest niewystarczające.

Natryskowe powłoki ogniochronne na konstrukcje stalowe

Stosuje się do zabezpieczania - w przedziałach od R 30 do R 240 - elementów konstrukcji stalowych znajdujących się wewnątrz obiektu. W przeciwieństwie do farb pęczniejących powłoki te są jednowarstwowe, natryskiwane bezpośrednio na konstrukcję po jej uprzednim oczyszczeniu i odtłuszczeniu.
W zależności od spoiwa wyróżnia się powłoki natryskowe na bazie:

• spoiwa cementowego z wypełniaczami w postaci granulowanej wełny skalnej, kruszywa oraz dodatkami; 
• spoiwa cementowego z wypełniaczem w postaci kruszywa wermikulitowego oraz dodatkami;
• spoiwa cementowego i gipsowego z wypełniaczem w postaci włókien mineralnych (bez azbestu i wermikulitu) oraz dodatkami;
• spoiwa gipsowego z wypełniaczami w postaci granulowanej wełny mineralnej skalnej i kruszywa perlitowego oraz dodatkami.

W zależności od gęstości pozornej, powłoki dzieli się na: lekkie – do 700 kg/m³; ciężkie – powyżej 700 kg/m³.
Do zalet natryskowej powłoki ogniochronnej trzeba zaliczyć łatwość nakładania warstwy ochronnej oraz dopasowywanie się jej do kształtu chronionego elementu. Niezwykle ważne jest prawidłowe przygotowanie podłoża, gdyż inaczej powłoka może odpadać od konstrukcji powodując ubytki w całej izolacji ochronnej.

Płytowe powłoki ogniochronne

Izolacyjne płytowe powłoki ogniochronne na bazie wełny mineralnej są obecnie bardzo popularne, zatem i wykorzystywane, w polskim budownictwie. Mają zastosowanie zarówno do izolacji konstrukcji, stref pożarowych czy kanałów wentylacyjnych...
Ich największą zaletą jest waga – ok. 165 kg/m³, co powoduje stosunkowo niewielkie obciążenie chronionej konstrukcji. Powyższy parametr jest jednak aktualny pod warunkiem, że nie ma potrzeby estetycznego wykończenia konstrukcji. Podstawowym elementem systemu są bowiem płyty wykonane na bazie wełny mineralnej, które z powodów technicznych nie wymagają dodatkowej osłony, ale też nie są specjalnie estetyczne. Można je zamaskować sufitem podwieszanym lub płytami innego rodzaju, mocowanymi bezpośrednio na konstrukcję, co jednak jest dodatkowym obciążeniem konstrukcji nośnej.
Aby system działał prawidłowo, izolacja ochronna musi mieć właściwą grubość, która jak we wcześniej prezentowanych systemach, zależy od temperatury krytycznej, wskaźnika masywności oraz oczekiwanego poziomu odporności ogniowej.
W trakcie montażu należy zwrócić uwagę na zabezpieczenie maskami pracowników przed sypiącymi się z płyt pojedynczymi włóknami, które wchłaniane do organizmu mogą być bardzo szkodliwe (dobrze jest także zabezpieczać oczy i skórę). Zaletą systemu jest nietoksyczność i ekologiczność samego materiału, który prawie w całości jest naturalny.

Płyty gipsowo-kartonowe jako powłoki ogniochronne

Gips (jak również materiały i wyroby go zawierające) jest doskonałym materiałem ogniochronnym. Jego działanie jest jednak odmienne od większości powłok ogniochronnych, gdyż najczęściej jego skuteczność wynika z niskiej przewodności cieplnej - działa jak typowy izolator termiczny.
Płyty gipsowo-kartonowe (GK) – najpopularniejszy dzisiaj materiał do wykończania i aranżacji wnętrz – składają się ze sprasowanego gipsu często z dodatkami, który jest obustronnie oklejony kartonem, nadającym płytom sztywność i estetykę. Karton pełni także rolę izolatora wody w płytach o podniesionej odporności na wilgoć.
Wyróżnia się następujące rodzaje płyt gk:

• A - zwykła płyta budowlana do stosowania w pomieszczeniach o wilgotności względnej nieprzekraczajacej 70% (określana jako GKB);
• H2 - płyta impregnowana o zwiększonej odporności na działanie wilgoci (stosowana w pomieszczeniach o podwyższonej wilgotności powietrza);
• F -  płyta o zwiększonej odporności ogniowej (z dodatkiem włókien szklanych o rdzeniu gipsowym);
• FH2 - płyta, która ma zwiększoną odporność zarówno na działanie ognia, jak i wilgoci.

Aby płyty uzyskały zwiększoną odporność na działanie ognia, rdzeń gipsowy poddaje się niewielkiemu napowietrzeniu i dodaje włókno szklane (płyta F). Dodatkowo gips poddawany jest procesowi hydrofobizacji oraz pokrywany specjalnie zaimpregnowaną otuliną kartonową (płyta FH2).

Prawo wymaga

W Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. "W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie" w Dziale IV, Rozdziale I czytamy m.in.:
"Budynek i urządzenia z nim związane powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający w razie pożaru:
1. nośność konstrukcji przez czas wynikający z rozporządzenia,
2. ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku,
3. ograniczenie rozprzestrzeniania się pożaru na sąsiednie budynki,
4. możliwość ewakuacji ludzi,
a także uwzględniający bezpieczeństwo ekip ratowniczych."
Zapis ten przytaczam ponownie, gdyż powinien on być biblią każdego architekta, specjalisty ds. bezpieczeństwa pożarowego budynków, kierownika budowy.
Na co dzień słychać od inwestorów, że sprostanie wszystkim "waszym" wymaganiom powoduje koszty, przy których inwestycja byłaby nieopłacalna. Tymczasem koszty dostosowania budowli do wymogów bezpieczeństwa pożarowego rzadko sięgają 2% wartości całej inwestycji budowlanej, bez kosztów wyposażenia (często koszt płytek ceramicznych, wykładzin i wyposażenia łazienek jest wyższy). Za takie podejście nie można winić inwestorów, gdyż oni oczekują budynków efektywnych i efektownych (najlepiej do tego tanich). Kiedy kupuje się samochód, nikt nie pyta o działanie układu kierowniczego. Zakłada się, że to jest w pakiecie.

Koszty

• Zabezpieczenie do poziomu R 60
  W zabezpieczeniu konstrukcji stalowej w przedziale do R60 włącznie, najtańszym rozwiązaniem są farby pęczniejące. Nie ma wówczas dodatkowych kosztów związanych z wykończeniem, a w systemie jest także zabezpieczenie antykorozyjne. Czas wykonania zabezpieczenia jest stosunkowo krótki.
  Jeśli klient nie życzy sobie widoku konstrukcji, to za trochę wyższą cenę można ją zabudować płytami gk. Można także wykorzystać wyprawę tynkarską na bazie gipsu, ale jeśli odporność ogniowa konstrukcji jest wymagana prawem, to nadzór budowlany jak i ubezpieczyciele, preferują rozwiązania z aktualnymi i jednoznacznymi aprobatami technicznymi zrobionymi na zlecenie producentów materiałów dla tych zastosowań, co w przypadku wypraw tynkarskich najczęściej jest bardzo ogólne.
• Zabezpieczenie do poziomu R 120
  Jeśli konstrukcja zostanie zakryta innymi elementami wykończeniowymi (np.: sufitem podwieszanym czy zabudową) najtańszym rozwiązaniem będzie zastosowanie powłoki w formie natrysku: jedna warstwa, stosunkowo nieduża waga, prostota i szybkość wykonania.
  W przypadku braku takiego komfortu możemy zastosować:
  1. natrysk zabudowany płytami A;
  2. system na bazie płyt mineralnych, również zabudowany płytami A;
  3. zabudowę płytami F lub FH2 o odpowiednich parametrach.
  Najtańsze jest rozwiązanie nr 3, ale jest ono też zdecydowanie najcięższe. Pierwsze dwa rozwiązania są zbliżone cenowo, ale wśród powyższych rozwiązań proces ich instalacji będzie najdłuższy.
• Zabezpieczenie do poziomu R 240
  Tu wybór jest ograniczony. Można zastosować system z płyt mineralnych lub natrysk mineralny (pod warunkiem aktualizacji aprobaty technicznej przez producenta). Przy tej grubości finanse idą na dalszy plan, choć zapewne będą zbliżone. Znacznie ważniejsze są inne czynniki np.: waga izolacji. Grubość warstwy wykonanej z płyt mineralnych będzie o ok. 40% wyższa, ale jego gęstość pozorna w stosunku do natrysku mineralnego stanowi ok. 20%.

Trwałość

Omówione rozwiązania mają długi okres trwałości. Niemniej jednak należy zwrócić uwagę na pewne słabe punkty, takie jak: 
– niewłaściwe wykonanie izolacji – największe zagrożenia są w przypadku farb i powłok natryskowych, które trzymają się chronionych elementów dzięki należytej przyczepności podłoża. Częstym problemem jest odpadanie powłok z powodu niewłaściwego przygotowania podłoża - ten problem praktycznie nie dotyczy instalacji płytowych;
– uszkodzenia mechaniczne (w trakcie użytkowania budynku) – w jakimś stopniu dotyczy to wszystkich powłok. Konieczne jest monitorowanie ich stanu;
– odporność na wpływ warunków atmosferycznych i działania agresywnych substancji - poza systemem z płyt z wełny mineralnej i farb pęczniejących, pozostałe rozwiązania są przeznaczone do stosowania wewnątrz budynków. Jeśli chodzi o środowiska chemiczne najlepsze parametry posiada wełna mineralna, ale w każdym przypadku należy stosować się do zaleceń producenta.

Doświadczenie mówi,

że rozwiązania powinny być jak najprostsze, gdyż najsłabszym ogniwem w tej i każdej innej branży jest człowiek. Dotyczy to zarówno osób dobierających system jak i tych, które mają później go wdrożyć w życie. Należy także pamiętać o przyszłym użytkowniku, który zawsze będzie miał wiele ważniejszych spraw niż kontrolę omawianych w tym tekście technologii ogniochronnego zabezpieczania konstrukcji stalowych.
Dla większości ludzi stal jest czymś tak trwałym i wytrzymałym, że nie warto zaprzątać sobie głowy dbaniem o jej stan. "Ona z pewnością przetrzyma nas i wszystkie żywioły" - oby u osób tak uważających, po zapoznaniu się z tymi materiałami pojawiła się choćby iskra wątpliwości co do trwałości naszych budowli, tych ze stali i z innych materiałów.