Eurokody projektowania konstrukcji obciążonych pożarem – cz. I

Pożary zawsze były, są i pewnie będą przyczyną ogromnych strat materialnych – niezależnie od tego, czy trawią lasy, pola uprawne, magazyny, obiekty przemysłowe czy też budynki i budowle inżynierskie. Powodują też ciężkie obrażenia i śmierć wielu ofiar. Chociaż zaliczamy je do klęsk żywiołowych, częściej powstają w następstwie działalności ludzkiej (zwykle zaniedbań) niż żywiołów, np. piorunów. Czają się wszędzie, wykorzystają każdą okazję, ogień może się znaleźć w najbardziej nieprzewidzianych miejscach i okolicznościach i objąć płomieniami całe budynki, w których zawsze znajdą się materiały palne i w których może dojść do uwięzienia osób.

Podczas pożaru intensywnie spalają się materiały, wzrasta temperatura elementów nośnych, pogarszają się (degradują się) ich właściwości mechaniczne i zwiększa się ich odkształcalność, przegrody tracą szczelność, zmniejsza się nośność konstrukcji lub następuje jej całkowita utrata. Nawet w niewysokiej temperaturze zachodzi rozkład chemiczny materiałów (najczęściej tworzyw sztucznych), wzrasta zadymienie pomieszczeń i wydzielają się gazy toksyczne powodujące ciężkie uszkodzenie ofiar lub ich śmiertelne zatrucie. Poprawę bezpieczeństwa pożarowego obiektów można osiągnąć zarówno przez działania prewencyjne, jak i zastosowanie środków ochrony czynnej (urządzeń i instalacji gaś-niczych) i odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych (ochrony biernej) ograniczających rozprzestrzenianie się i zasięg pożaru.

© gidran – Fotolia.com

Bezpieczeństwo pożarowe budynków i budowli to drugie wymaganie podstawowe, które dyrektywa 89/106/EWG dotycząca wyrobów budowlanych (DWB) postawiła obiektom budowlanym.Nie oznacza to wcale, że te ważne zagadnienia nabrały znaczenia dopiero po przyjęciu unijnej dyrektywy. Były one i przedtem różnie regulowane w poszczególnych państwach, także w Polsce, dyrektywa tylko bardziej je ujednoliciła, wprowadzając podejście metodyczne w całej UE. Ale to ujednolicenie uległo pewnemu zatarciu w czasie implementacji dyrektywy do prawa poszczególnych państw członkowskich, gdyż niektóre z nich, mając swobodny wybór sposobu transpozycji dyrektywy do swoich przepisów krajowych, dokonały nawet jej rozdrobnienia na fragmenty. Mimo to można uznać, że dyrektywa ułatwiła wprowadzanie inżynierskiego sposobu (obliczeniowego) traktowania kwestii bezpieczeństwa pożarowego budynków.

Dyrektywa, w załączniku I, następująco określa bezpieczeństwo pożarowe:

Obiekty budowlane powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby w przypadku pożaru:

– nośność konstrukcji mogła być zapewniona przez założony okres czasu

– powstawanie i rozprzestrzenianie się ognia i dymu w obiektach było ograniczone

– rozprzestrzenianie się ognia na sąsiednie obiekty było ograniczone

– mieszkańcy mogli opuścić obiekt lub być uratowani w inny sposób

– było uwzględnione bezpieczeństwo ekip ratowniczych.

Szczegółowe rozwinięcie tych wymagań w odniesieniu do obiektów, ich części i elementów konstrukcyjnych oraz materiałów budowlanych zawiera Dokument interpretacyjny: Wymaganie podstawowe nr 2 „Bezpieczeństwo pożarowe”.

Przy okazji warto dodać, że powyższa definicja bezpieczeństwa pożarowego została utrzymana w załączniku I do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiającego zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylającego dyrektywę 89/106/EWG – rozporządzenie weszło w życie wiosną 2011 r., dyrektywa straci moc 1 lipca 2013 r.

Od razu pragnę napomknąć, że ustawa – Prawo budowlane wymaga w art. 5 ust. 1 projektowania i budowania obiektów budowlanych w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, tak aby spełniały one sześć wymagań podstawowych, w tym także wymaganie bezpieczeństwa pożarowego.

Definicję bezpieczeństwa pożarowegowedług dyrektywy wprowadzono także do § 207 ust. 1 rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Trzeba przyznać, że w rozporządzeniu potraktowano bezpieczeństwo konstrukcji i pożarowe szeroko, poświęcając im działy V i VI, od § 203 do § 290, co nie oznacza, że odpowiednio do aktualnych potrzeb.

Tabl. 1 Wykaz Eurokodów dotyczących projektowania konstrukcji pod względem pożarowym

Eurokody projektowania konstrukcji pod względem pożarowym

Jedną z ważniejszych czynności jest wyrażenie werbalnych wymagań prawnych bezpieczeństwa w języku kategorii technicznych. Funkcję tę w części pełnią Polskie Normy, teraz też Eurokody projektowania konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe. Z przedmowy do Eurokodów wiemy, że służą one jako dokumenty odniesienia do wykazania zgodności budynków i obiektów inżynierskich z wymaganiami podstawowymi dyrektywy 89/106/EWG, szczególnie w zakresie wymagania podstawowego nr 1 „Nośność i stateczność” oraz wymagania podstawowego nr 2 „ Bezpieczeństwo pożarowe”. Można postawić hipotezę, że przed wprowadzeniem Eurokodów do zbioru Polskich Norm nie mieliśmy w kraju podobnych własnych norm projektowania konstrukcji narażonych na działanie ognia.

Pragnę uprzedzić czytelników, że ten artykuł ma wyłącznie wymiar opisowy, jakkolwiek powstał w następstwie skierowanych do mnie uwag i pytań po poprzednich publikacjach. Biorąc je pod uwagę, postanowiłem omówić cały pakiet Eurokodów pożarowych w celu przybliżenia czytelnikom ich zawartości merytorycznej i zalecanych metod projektowania. Wiele ważnych kwestii szczegółowych dotyczących konstrukcji z różnych materiałów można znaleźć w artykułach w prasie budowlanej, materiałach konferencyjnych – szkoda tylko, że są to publikacje cząstkowe i rozrzucone. Warto byłoby opracować na ten temat jakieś zwarte materiały interpretacyjne. Uważam, że w interpretację kwestii niejasnych dla projektantów, a takie są w Eurokodach, powinni być zaangażowani twórcy tych norm (z komitetów technicznych) oraz organy, które powołują się na normy w przepisach prawnych, tak aby lakoniczny przepis nie stawiał użytkownika, zwłaszcza z mniejszym doświadczeniem, na rozdrożu.

W zbiorze 58 Polskich Norm wprowadzających Eurokody istnieje pakiet ośmiu PN przeznaczonych do projektowania konstrukcji narażonych na pożar, są to tzw. części pożarowe Eurokodów (tabl. 1). Sześć z nich odnosi się do konstrukcji wykonanych z różnych materiałów (betonowych, stalowych, zespolonych stalowo-betonowych, drewnianych, murowanych i aluminiowych), jedna traktuje o oddziaływaniach pożaru na konstrukcje i jedna, PN-EN 1990, zawiera podstawy projektowania konstrukcji. Pełni więc ona w tym pakiecie, jak zresztą w całym zbiorze Eurokodów, funkcję nadrzędną, bo określa główne wymagania oraz definiuje stany graniczne nośności i użytkowalności konstrukcji.

Normy pożarowe to części 1–2 Eurokodów: 1, 2, 3, 4, 5, 6 i 9.Nie są to normy autonomiczne, wystarczające do projektowania czy sprawdzania konstrukcji w warunkach pożaru, są one powiązane przede wszystkim z częściami 1–1 dotyczącymi projektowania w warunkach normalnych i powinny być wraz z nimi stosowane (podano w nich wykazy norm powołanych). Z takim założeniem zostały opracowane – zawierają tylko wymagania odnoszące się do wyjątkowej sytuacji obliczeniowej, jaką jest dla obiektu pożar. Podejście to wydaje się uzasadnione, ponieważ na obiekt, który powinien spełniać wymagania „normalne”, nakłada się pożar jako sytuacja wyjątkowa. To właśnie w celu zapewnienia bezpieczeństwa przez wymagany czas w tych wyjątkowych warunkach sformułowano wymagania uzupełniające, które obiekt zagrożony pożarem powinien spełniać ab ovo.

Budowa i układ treści poszczególnych sześciu norm są podobne, jednak nie ma pełnej analogii. Bierze się to stąd, że zachowanie się konstrukcji w warunkach pożaru, jej reakcja na ogień, zależy od jej funkcji i rodzaju materiału, z którego ją wykonano. Ale nie tylko. Różne są także geneza i sposób rozprzestrzeniania się ognia w obiektach, różne jest ich obciążenie ogniowe, rozwój temperatury czy zastosowane środki ogniochronne, a nawet palność materiału konstrukcji nośnej. Z tego względu zalecenia norm dla projektantów konstrukcji z różnych materiałów nie są takie same.

Pobieżny wgląd w normy pozwala dostrzec ambitne zamierzenia komitetu TC 250 do opracowania norm dających możliwości dobrego modelowania pożarów, co zilustrowano na początku każdej części schematem możliwych wariantów projektowania, z użyciem prostych i zaawansowanych modeli obliczeniowych nawet całej konstrukcji w pożarze. Ale z dalszej treści normy można odnieść wrażenie, że są to schematy docelowe, na razie dominować będzie w praktyce stosowanie danych tabelarycznych i prostych modeli analizy pojedynczych elementów konstrukcji w pożarach nominalnych. Nie deprecjonuje to w żaden sposób norm, twórcy Eurokodów już przez samo uporządkowanie tematyki dali możliwość obliczeniowego podejścia do pożarów i na pewno postanowienia norm będą uściślane w kolejnych nowelizacjach na szczeblu europejskim. Konieczne będzie aktualizowanie załączników krajowych NA i przygotowywanie materiałów uzupełniających przez zainteresowane podmioty krajowe.

W tabl. 2 podano wykaz poprawek i wprowadzonych zmian do treści PN-EN.

Tabl. 2 Wykaz poprawek opublikowanych oddzielnie do Eurokodów pożarowych

Symbolem AC oznacza się poprawkę przygotowaną na szczeblu europejskim, korygującą błędy w Normie Europejskiej, symbolem Ap – poprawkę błędów popełnionych podczas implementacji EN do PN. NA to załącznik krajowy do EN.

Podstawy projektowania konstrukcji

W normie PN-EN 1990 sprawie odporności pożarowej poświęcono pkt 5.1.4, podając jedną zasadę i pięć reguł. Zalecono przeprowadzać obliczenia odporności ogniowej na podstawie scenariusza pożarowego i uwzględniać modele zmian temperatury wewnątrz strefy pożarowej oraz sprawdzać obliczeniowo zachowanie się całej konstrukcji, jej podzespołu lub elementów z zastosowaniem danych zawartych w tablicach lub na podstawie badań. Wskazano, co oczywiste, na konieczność uwzględniania postanowień części Eurokodów pożarowych, zawierających modele obliczeniowe temperatur i rodzaju konstrukcji. Podano również, że do obliczeń odporności ogniowej można przyjmować równomierny lub nierównomierny rozkład temperatury w przekrojach na długości elementów oraz analizować elementy wydzielone z konstrukcji lub uwzględniać ich współpracę w warunkach pożaru. W pkt 6.4.3.3 zdefiniowano kombinacje oddziaływań w przypadku wyjątkowych sytuacji obliczeniowych.

Oddziaływania pożaru na konstrukcje

Norma PN-EN 1991-1-2:2006 należy do pakietu dziesięciu norm oddziaływań na konstrukcje. Wynika z niej w sposób domyślny, że bezpośrednim oddziaływaniem pożaru na konstrukcję jest wysoka temperatura prowadząca do pośrednich oddziaływań mechanicznych. Precyzuje ona, jakie szczególne oddziaływania termiczne i mechaniczne generują się w budynku podczas pożaru i w jaki sposób należy je uwzględniać w fazie projektowania. Jest przewidziana do stosowania łącznie ze wszystkimi innymi normami obciążenia i wszystkimi częściami pożarowymi.

Zaleca ona uwzględnianie następujących etapów analizy pożaru:

– wybór właściwych scenariuszy pożarowych,

– ustalenie odpowiadających im pożarów obliczeniowych,

– obliczenia przebiegu temperatury w elementach konstrukcyjnych,

– obliczenia mechanicznego zachowania się konstrukcji.

Definiuje trzy krzywe rozwoju temperatury w funkcji czasu w przestrzeni ogarniętej pożarem i podaje zalecenia, jak na podstawie obliczeń strumieni ciepła przez konwekcję i radiację określać temperaturę elementów. Omawia trzy rodzaje uproszczonych modeli pożarów: strefowe, lokalne i zaawansowane. Rozdział 4 zawiera zalecenia odnoszące się do uwzględniania wpływu wydłużeń i deformacji termicznych jednych elementów konstrukcji na elementy przyległe.

W załączniku A określono sposób obliczania parametrycznej krzywej temperatura – czas w fazach nagrzewania i chłodzenia. W załączniku B podano uproszczone metody obliczania oddziaływania cieplnego na elementy zewnętrzne płomieni wydostających się z otworów ściennych. W załączniku C omówiono rozwój pożaru lokalnego, a w E podano zalecenia co do ustalania wartości obliczeniowej gęstości obciążenia ogniowego w strefie pożaru. Załącznik F odnosi się do wyznaczania równoważnego czasu oddziaływania pożaru, jeśli w projektowaniu zastosowano dane tabelaryczne. Załącznik G określa współczynnik konfiguracji, tj. wymiany ciepła między powierzchniami promieniującą i odbierającą.

mgr inż. Witold Ciołek

W części II zostaną omówione w kontekście bezpieczeństwa pożarowego konstrukcje: betonowe, stalowe, stalowo-betonowe drewniane i aluminiowe.