Odporność ogniowa tymczasowych obiektów budowlanych

Duże tymczasowe obiekty budowlane coraz częściej wykorzystywane są w ramach wystaw, konferencji i kongresów jako czasowa przestrzeń wystawiennicza czy konferencyjna.
 

W obiektach tego typu mamy do czynienia z gromadzeniem materiałów palnych (w postaci stoisk wystawienniczych, elementów sceny i widowni, instalacji audiowizualnych) oraz jednoczesnym gromadzeniem dużej liczby użytkowników niezaznajomionych z obiektem [9]. Konsekwencje zniszczenia obiektu tymczasowego w przypadku pożaru można określić z wykorzystaniem klasyfikacji hierarchii konsekwencji zniszczenia [10], według której utracie nośności tymczasowego obiektu konferencyjnego w wyniku pożaru należy przypisać najwyższą kategorię 1 – „zagrożenie życia”. Konsekwentnie według Eurokodu 1-7 [6] utratę nośności tymczasowej hali stanowiącej arenę międzynarodowego wydarzenia wystawienniczego należałoby sklasyfikować w klasie konsekwencji 2b (grupa wyższego ryzyka, jako budynek z dostępem publicznym o powierzchni podłogi w zakresie od 2000 do 5000 m²) lub nawet w najwyższej klasie 3. Oczywiście przedmiotowe klasyfikacje nie uwzględniają dodatkowego ryzyka wizerunkowego, związanego z zakłóceniem trwającego międzynarodowego wydarzenia najwyższej rangi. Przedstawione klasyfikacje ryzyka wskazują, że obok problemu awarii budowlanej obiektów tymczasowych przeznaczonych na wydarzenia wystawiennicze i konferencyjne nie można przejść obojętnie, nawet jeżeli literalne czytanie przepisów może sugerować, że jako obiekty tymczasowe są „wyłączone z wymagań przepisów techniczno-budowlanych”.

Zobacz też:

• 10 faktów na temat pożarów
• Jak zapewnić konstrukcjom drewnianym wymaganą odporność ogniową
• Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Wymagania
   

Czynniki ryzyka związanego z pożarem w obiekcie tymczasowym są wielopłaszczyznowe, jednak w tej pracy zostaną one ograniczone wyłącznie do dyskusji o odporności ogniowej konstrukcji obiektu. W artykule nie poruszono zagadnień związanych z rozprzestrzenianiem się dymu czy procesem ewakuacji osób.

Fot.stock.adobe / Christopher Boswell

Standardowa odporność ogniowa

Standardową odporność ogniową określa się przy podstawowych scenariuszach pożaru rozwiniętego, zwanych pożarami nominalnymi, zdefiniowanymi w normie [5]. W odniesieniu do konstrukcji stalowych i aluminiowych istotne są przede wszystkim krzywe: N (standardowa – powiązana z pożarem celulozowym), H (węglowodorowa – powiązana z pożarem produktów naftowych), E (zewnętrzna – stosowana przy oddziaływaniu ognia na elementy budynku od strony elewacji) oraz S (powolnego nagrzewania – związana z właściwościami aktywnych zabezpieczeń ogniochronnych, takimi jak farby pęczniejące).

Rys. 1. Nominalne krzywe charakteryzujące oddziaływania termiczne (pożar rozwinięty) oraz krzywa  powolnego nagrzewania

Zależnie od tego, czy ocena wykonywana jest na podstawie badań odporności ogniowej czy metodami obliczeniowymi, nośność ogniową elementu ocenia się albo przez kryteria deformacji elementu zginanego, albo poprzez kryteria temperatury i wytrzymałości elementu. W obu przypadkach obciążenia w warunkach pożarowych są redukowane z wykorzystaniem współczynnika redukcyjnego η_fi. Jego wartość można przyjmować zgodnie z normami [7] i [8] równą 0,65, przy czym dokładna analiza obciążeń pozwala obniżyć tę wartość do 0,40, a często nawet mniejszych wartości, szczególnie w odniesieniu do lekkich konstrukcji aluminiowych. Ostatnim elementem niezbędnym do wykonania oceny nośności konstrukcji R_dtfi w warunkach pożarowych są właściwości termiczne i mechaniczne materiału w wysokich temperaturach.

Na rys. 2 przedstawiono zależności spadku wytrzymałości stali węglowej, stali nierdzewnej (1.4301) oraz aluminium.

Rys. 2. Spadek wytrzymałości stali i aluminium w podwyższonych temperaturach

Dla tego ostatniego przedstawiono dwa warianty: min. – do stosowania w przypadku braku znajomości własności stopu, dolne oszacowanie, oraz max – odpowiadający właściwościom stopu EN AW 5005 O, który wykazuje się najmniejszym spadkiem wytrzymałości.

Temperatura elementu nieosłoniętego

Eurokod 3 i 9, części 1-2, pozwalają na obliczenie temperatury elementu nieosłoniętego wykonanego ze stali węglowej, nierdzewnej lub aluminium [2]. Najistotniejszym parametrem wpływającym na temperaturę tych elementów jest wskaźnik ekspozycji przekroju. Im jego wartość jest wyższa, tym element szybciej będzie się nagrzewał i tym mniejszą będzie miał bezwładność cieplną. Przy wysokich wartościach tego wskaźnika (powyżej 500 m^-1) temperatura elementu nieosłoniętego już po kilku minutach nagrzewania praktycznie zrównuje się z temperaturą otaczających go gazów pożarowych i to niezależnie od mocy tego pożaru. Z kolei bardzo masywne profile będą wykazywać pewne opóźnienie [3]. Wpływ tego parametru jest inny dla stali węglowej, nierdzewnej i aluminium, przy czym ten ostatni materiał, ze względu na swoją niską (prawie trzykrotnie mniejszą od stali) gęstość, wykazuje najmniejszą bezwładność cieplną (rys. 3).

Rys. 3. Temperatura elementu nieosłoniętego w zależności od wskaźnika ekspozycji przekroju (SW – stal węglowa, ALU – aluminium, SN – stal nierdzewna)

Tymczasowy obiekt budowlany. Przykład praktyczny

W pracy [1] przedstawiono konstrukcję tymczasowej hali namiotowej o wymiarach 26,3×50,0x9,0 m służącej jako zadaszenie obiektu sportowego. Wykonano ją jako konstrukcję kratownicową z rur prostokątnych aluminiowych o przekrojach 100x50x2 mm (A_m/V = 514 m^-1) i 60x40x2 mm (A_m/V = 521 m^-1). Użyto stopu EN-AW 6060 o granicy plastyczności równej 140 MPa, wytrzymałości na rozciąganie równej 170 MPa i charakterystyce spadku wytrzymałości w podwyższonych temperaturach jak na rys. 2 – aluminium – min., a więc bardzo szybkim.
 

Za maksymalną moc pożaru przyjęto wartość 10 MW, odpowiadającą rozwojowi pożaru dużego stoiska handlowego. Jest to także wartość rekomendowana do oceny zagrożenia w przestrzeniach zgromadzeń przez szwedzki oddział So- ciety of Fire Protection Engineers (SFPE) [11]. Moc ta osiągana była w ok. 8 minucie analizy numerycznej. W celu rozwiązania problemu transportu dymu oraz promieniowania cieplnego przyjęto, że dym powstaje w wyniku niezupełnego spalania mieszaniny materiałów palnych o uśrednionym efektywnym cieple palenia wynoszącym 20,00 MJ/kg i uśrednionym współczynniku soot yield wynoszącym Ys = 0,10 kg/kg. Czas analizy ograniczono do 30 minut. Dym modelowano jako gaz doskonały i posiadał on te same właściwości co powietrze z wyjątkiem ciepła właściwego, którego wartość była stała i wynosiła 1,01 J/kg^.K. Nie prowadzono oceny w zakresie zadymienia w kontekście ewakuacji osób.

Do oceny wybrano dwie lokalizacje pożaru – pożar „1” zlokalizowany w geometrycznym środku badanej hali oraz pożar „2” zlokalizowany przy jednym ze słupów ściany południowej, w pobliżu związania konstrukcji dachu z konstrukcją ściany. Szczegółową ocenę prowadzono w czterech ważnych punktach dla stateczności konstrukcji (T1-T4), przy czym przedstawione w niniejszej pracy wyniki odniesiono do bardziej ogólnej oceny temperatury powierzchni przegród. Lokalizację pożaru przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Przekrój hali namiotowej

Ze względu na bardzo niski ciężar własny konstrukcji pokrycia dachu (tkanina plandekowa) w odniesieniu do dachu można przyjąć współczynnik redukcyjny obciążeń na poziomie η_fi  < 0,25. Temperatura krytyczna konstrukcji aluminiowej, zaprojektowanej na 95% swojej wytrzymałości, wynosi zatem ok. 250°C. Temperatura pożaru standardowego osiąga taką wartość zaledwie w 30 sekund, a elementy aluminiowe o wskaźniku ekspozycji ≥ 500 m^-1 – w ok. 90 sekund. Oczywiste jest więc stwierdzenie, że konstrukcja nie posiada żadnej odporności ogniowej. Zdecydowano się zatem na analizę nośności ogniowej konstrukcji w warunkach pożaru naturalnego. Rozwój pożaru w przestrzeni wystawienniczej można opisać za pomocą funkcji wykładniczej:

gdzie: Q – całkowita moc pożaru [kW], α – współczynnik wzrostu pożaru (wynoszący 0,0468 kW/s²), t – czas.

Na rys. 5 i 6 przedstawiono zasięg temperatury 250°C w elementach konstrukcyjnych aluminiowych w czasie rozwoju opisanego wyżej pożaru naturalnego. Jak można zauważyć, już po 6 minutach (całkowita chwilowa moc pożaru ok. 6 MW) obszar połaci dachu, na jakiej przekroczono temperaturę 250°C, obejmuje co najmniej cztery belki oraz trzy węzły konstrukcji. Jest to obszar zniszczenia wystarczający do inicjacji postępującej awarii budowlanej konstrukcji. Po ok. 10 minutach rozwoju pożaru temperatura 250°C jest przekroczona pod stropem na niemal całej długości hali, a po 15 minutach pod całym stropem.

Rys. 5. Zasięg temperatury 250°C w elementach konstrukcyjnych – pożar „1”: a) po 6 minutach, b) po 8 minutach,
c) po 10 minutach, d) po 15 minutach

Rys. 6. Zasięg temperatury 250°C w elementach konstrukcyjnych – pożar „2”: a) po 6 minutach, b) po 8 minutach,
c) po 10 minutach, d) po 15 minutach

W przypadku lokalizacji źródła pożaru przy słupie hali do jego zniszczenia może dojść już w 4 minucie pożaru. W ok. 6 minucie pożaru zniszczenie obejmuje dwa węzły oraz pięć belek, co może doprowadzić do postępującej katastrofy budowlanej. Po 15 minutach analizy przekroczona zostaje temperatura praktycznie całej środkowej części w dachu na całej długości obiektu.

Warto zobrazować przypadek, w którym konstrukcja jest wykonana ze stali węglowej, przy takim samym stopniu wytężenia konstrukcji i odpowiadającej jemu temperaturze krytycznej 650°C – rys. 7.

Rys. 7. Zasięg temperatury 650°C w elementach konstrukcyjnych po 15 minutach: a) pożar „1”, b) pożar „2”

Ponieważ wyniki przeprowadzonej analizy są co najmniej złe (szybkie zniszczenie konstrukcji), przeprowadzono obliczenia sprawdzające, w których pożar rozwijający się w miejscu pożaru „1” ograniczono do 2,50 MW. Nawet przy tak „korzystnie” umiejscowionym źródle (najwyższa wysokość kolumny konwekcyjnej dymu) oraz tak ograniczonym rozwoju pożaru (typowym dla obiektów wyposażonych w instalacje gaśnicze) do zniszczenia węzła T4 może dojść już w 6 minucie rozwoju pożaru.
 

Zobacz też:

• Hale pneumatyczne
• Konstrukcje stalowe hal wielkopowierzchniowych

Tymczasowy obiekt budowlany. Zabezpieczenie ogniochronne

Obecnie prace w CEN TC127 nad normą dotyczącą oceny skuteczności ogniochronnej konstrukcji aluminiowych dopiero się rozpoczynają, w związku z czym nie ma na rynku przeznaczonych dla tego typu konstrukcji izolacji. Stosując jednak podane w normach [7] i [8] wzory, możliwa jest zgrubna ocena wymaganej grubości izolacji. W odniesieniu do istniejących na rynku systemów zabezpieczenia ogniochronnego tylko z powodu zmiany materiału konstrukcyjnego ze stali na aluminium, zakładając niezmienną przyczepność materiału ogniochronnego, jego grubość jest średnio większa o ok. 20%. Biorąc pod uwagę również różnice w wytrzymałości obu materiałów, a co za tym idzie inne wartości temperatury krytycznej, wymagane będzie kolejne zwiększenie grubości nawet o 50% w odniesieniu do materiałów niezawierających wody lub 10-30% w stosunku do materiałów wykazujących tzw. półkę wilgotnościową. Niestety nawet w odniesieniu do konstrukcji stalowych podwyższenie ich odporności ogniowej jest sporym wyzwaniem, ponieważ elementy tych konstrukcji często nie są objęte aprobatami czy ocenami technicznymi systemów ogniochronnych. Albo wskaźnik ekspozycji jest zbyt wysoki, albo kształt i rozmiar przekroju poza zakresem, a niejednokrotnie dyskwalifikuje typ naprężeń wewnętrznych. Nawet jeśli uda się dobrać izolację, to problemem się staje jej trwałość w cyklach montażu i demontażu konstrukcji.

Rozsądnym pomysłem wydaje się osłanianie konstrukcji aluminiowych przegrodami posiadającymi klasyfikację w zakresie odporności ogniowej EI. Izolacyjność ogniowa tych ścian zapewnia, że temperatura po stronie nienagrzewanej nie wzrośnie o więcej niż 180 K względem temperatury początkowej, co dla większości przypadków oznaczać będzie zachowanie nośności ogniowej R przez konstrukcję aluminiową hali tymczasowej. Mogą to być zarówno ściany i sufity z płyt gipsowo-kartonowych, jak i inne ogniochronne membrany pionowe i poziome.

Odporność ogniowa dużych obiektów tymaczasowych. Wnioski

Przeprowadzone analizy norm, literatury i rzeczywistego przykładu pozwalają na przedstawienie następujących wniosków:

• Rozwój pożaru w tymczasowych pomieszczeniach wystawienniczych czy konferencyjnych może mieć przebieg gwałtowny (rozwój szybki) oraz nie odbiega od założeń przyjmowanych dla obiektów handlowych bądź konferencyjnych, niewyposażonych w stałe urządzenia gaśnicze wodne.
• Konstrukcje aluminiowe nie wykazują żadnej standardowej odporności ogniowej, a w przypadku pożarów naturalnych awarii lokalnych można się spodziewać już po ok. 5 minutach, a całkowitego zawalenia obiektu po ok. 15 minutach.
• Tradycyjne systemy zabezpieczeń ogniochronnych nie posiadają normowej oceny ich skuteczności do zabezpieczania konstrukcji aluminiowych. Spodziewany jest znaczący wzrost wymaganej grubości izolacji względem analogicznych elementów stalowych, co przy jednoczesnej kłopotliwej aplikacji takich systemów i mobilnej funkcji konstrukcji tymczasowych praktycznie uniemożliwia ich stosowanie.
• W celu podwyższenia odporności ogniowej aluminiowych konstrukcji hal tymczasowych korzystne wydaje się zastosowanie samodzielnych przegród w postaci ścian i sufitów. Należy podkreślić, że wniosek ten jest postawiony wyłącznie w kontekście odporności ogniowej – wprowadzenie sufitów podwieszonych ograniczających objętość zbiornika dymu może być niekorzystne ze względu na rozprzestrzenianie zadymienia w budynku i w konsekwencji ewakuację osób z budynku. Nie oznacza to, iż w celu poprawy warunków zadymienia można zignorować odporność ogniową, wypływa z tego wniosek, że wszystkie aspekty bezpieczeństwa obiektu tymczasowego powinny być rozpatrywane wspólnie.

Podsumowując wyniki przeprowadzonych analiz, tymczasowe obiekty budowlane przeznaczone na funkcje wystawiennicze lub konferencyjne cechuje nieakceptowalne ryzyko pożaru, związane z brakiem jakiejkolwiek odporności ogniowej konstrukcji przy jednocześnie najwyższej możliwej klasie konsekwencji zawalenia obiektu.

W naszej ocenie przepisy techniczno-budowlane w zakresie konstrukcji tymczasowych wymagają aktualizacji. Nie można postawić znaku równości między bezpieczeństwem pneumatycznej hali ponad kortem tenisowym, namiotu z handlem okazjonalnym czy kontenerem zaplecza budowy a obiektem wystawienniczym goszczącym tysiące uczestników kongresu czy wystawy o najwyższej randze międzynarodowej. Należy dążyć do wyłączenia obiektów o najwyższych klasach konsekwencji zniszczenia z dotychczasowych ram prawnych dotyczących obiektów tymczasowych i postawienia im odrębnych, minimalnych wymagań w zakresie bezpieczeństwa pożarowego (w tym odporności ogniowej), których spełnienie powinno być każdorazowo poparte analizą przypadku z wykorzystaniem metod inżynierii pożarowej.

Literatura

1. W. Chruściel, K. Kuczyński, Bezpieczeństwo użytkowania obiektów tymczasowych na przykładzie hali namiotowej, XXVII Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie budowlane”, 2015.
2. M. Łukomski et al., Fire Resistance of Unprotected Steel Beams – Comparison between Fire Tests and Calculation Model, Procedia Engineering 172, 2017.
3. P Turkowski et al., Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodu 3, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2015.
4. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane z późniejszymi zmianami (Dz.U. z 2018 r. poz. 1202).
5. PN-EN 1991-1-2:2006 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru.
6. PN-EN 1991-1-7:2008 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-7: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wyjątkowe.
7. PN-EN 1993-1-2:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-2: Reguły ogólne. Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
8. PN-EN 1999-1-2:2007 Eurokod 9: Projektowanie konstrukcji aluminiowych. Część 1-2: Projektowanie konstrukcji na wypadek pożaru.
9. PD 7974-4:2013 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Detection of fire and activation of fire protection systems (Sub-system 4).
10. PN-ISO 15686-1:2005 Budynki i budowle. Planowanie okresu użytkowania. Część 1: Zasady ogólne.
11. D. Rosberg, Developing a Swedish Best Practice Guideline for Proper Use of CFD Models when Performing ASETAnalyses, WSP Sverige AB, https://www.thunderheadeng. com/2014/10/femtc2014_d1-d-2_rosberg/.

mgr inż. Piotr Turkowski
Zakład Badań Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

dr inż. Wojciech Węgrzyński
Zakład Badań Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa