Tento článek se zaměřuje na částečnou požární ochranu ocelových konstrukcí a poskytuje teoretický přehled současných metod a materiálů používaných v tomto oboru. Jsou představeny různé typy pasivních požárních ochranných systémů, včetně intumescentních nátěrů a jejich vlivu na tepelný přenos mezi chráněnými a nechráněnými částmi konstrukce. Článek se zabývá analytickými a matematickými metodami pro stanovení tepelných vlastností a požární odolnosti použitých materiálů, s důrazem na ty, které podléhají tepelné degradaci. Tento článek poskytuje ucelený pohled na teoretické základy částečné požární ochrany ocelových konstrukcí a nabízí směry pro další výzkum v této oblasti.
1. Pasivní požární ochrana ocelových konstrukcí
Pasivní požární ochrana je základem požární bezpečnosti ocelových konstrukcí, které jsou subtilní a dobře vedou teplo. Využívá se řady metod a typů ochrany. Obvykle se chrání jednotlivé prvky konstrukce ochrannými nátěry, nástřiky nebo obklady. Dříve se tepelně izolovalo na danou teplotu, nyní na požadovanou požární odolnost daného prvku. Často stačí chránit pouze hlavní prvky konstrukce a posoudit celkové působení celé konstrukce, nejčastěji ocelobetonového stropu, plošiny nebo jiné nosné konstrukce. Lze využít membránové působení ocelobetonové desky s nechráněnými prvky. Chrání se pouze sloupy a průvlaky a styčníky konstrukce.
1.1 Důvody pro požární ochranu ocelových konstrukcí
Ačkoliv u široké laické veřejnosti převládá názor, že ocelové nosné prvky jsou nehořlavé, tudíž by měly v případě požáru vydržet dlouhou dobu, opak je pravdou. Tyto nosné prvky mají vlastní požární odolnost velmi nízkou. Mezní stav požární odolnosti staticky zatíženého tyčového prvku (nosníku, sloupu) je značen symbolem R a lze ho stanovit časem dosažení kritické teploty oceli θa,cr. Tato hodnota se u nechráněných prvků pohybuje cca od 5 do 20 minut v závislosti na masivnosti daného prvku. Hodnota kritické teploty se pak pohybuje v rozmezí 350 až 750 °C.
Protipožární obklady konstrukcí představují klíčový prvek pasivní požární ochrany staveb. Jejich hlavním cílem je omezit nárůst teploty v nosných prvcích a zachovat jejich stabilitu a únosnost po celou dobu požadované požární odolnosti.
1.2 Typy požární ochrany ocelových konstrukcí
Podle materiálu a způsobu použití lze požární obklady rozdělit na deskové, nátěry a nástřiky. Jednou z možností zvýšení požární odolnosti ocelových konstrukcí je použití obkladu. Protože každý typ má jinou skladbu a strukturu, mají desky i jiné tepelně izolační schopnosti.
Čtěte také: Parametry požární odolnosti
1.2.1 Deskové obklady
Deskové obklady se umísťují přímo na chráněný prvek nebo na pomocnou konstrukci, jako je například ocelový rošt. Funkce opláštění je omezena nejmenšími detaily, například kvůli špatné pomocné konstrukci nebo spojům mezi deskami. Z těchto důvodů je při aplikaci požární ochrany nezbytné přesně dodržovat pokyny výrobce systému.
1.2.1.1 Výběr materiálu a aplikace
Základním parametrem při výběru materiálu desek pro požární opláštění je relativní vlhkost v požárním úseku, kde má být opláštění aplikováno. Vysoké hodnoty vlhkosti mohou způsobit, že deska při požáru popraská. Mezi obklady, které jsou náchylné k prasknutí při dlouhodobém vystavení vysokým hodnotám vlhkosti, lze uvést desky na bázi vermikulitu, které v takovém prostředí degradují a ztrácejí pevnost. Při aplikaci pasivní požární ochrany je výhodnější rozložit požadovanou tloušťku obkladu do více vrstev desek vrstvených na sebe než aplikovat pouze jednu desku dané tloušťky.
1.2.1.2 Ochrana proti korozi
V prostoru pod obkladem vzniká agresivní prostředí, které může vést ke korozi chráněných prvků, a tím může snížit jejich životnost. Je důležité chráněný prvek před instalací ochranných desek důkladně ošetřit antikorozním nátěrem. Se stejným problémem se lze setkat v korozivním prostředí a na průmyslových stavbách, kde může docházet ke korozi široce používaných spojovacích prvků. V důsledku toho může dojít k otevření spojů mezi deskami nebo k rozpadu celého systému již po několika letech v takovém prostředí. Je nutné zvolit vhodný materiál nejen pro desku, ale také pro spojovací materiál, v závislosti na typu prostředí.
1.2.1.3 Speciální typy deskových obkladů
V mnoha případech jsou na stavbách použity ocelové sloupy kruhového tvaru, často z architektonických důvodů. Pro jejich ochranu se používají úzké přířezy z kalciumsilikátových desek, které jsou vzájemně propojeny pomocí pásků ze skelného vlákna. Rohože se na daný sloup přilepí lepidlem Pomat®K84 a vzniklé spáry se přetmelí tmelem. Montáž obkladových systémů se provádí v souladu s technologickými předpisy výrobců. Důraz je kladen na přesné provedení detailů, zejména napojení na přilehlé konstrukce a důsledné utěsnění spár, aby byla zajištěna kontinuita a celistvost obkladů. Protipožární obklady se uplatňují ve všech typech staveb - od bytových a administrativních objektů až po průmyslové haly.
1.2.2 Intumescentní nátěry a nástřiky
Intumescentní nátěry jsou ucelený systém, který sestává ze základního nátěru, funkční vrstvy a vrchního nátěru. Vrstvy intumescentních nátěrů na sebe za přesně stanovených podmínek vzájemně působí, aplikují se v požadované kvalitě a tloušťce. Základní nátěr má vykazovat dostatečnou přilnavost k povrchu, který má být chráněn, a musí vykazovat stabilitu až do okamžiku napěnění funkční vrstvy. Současně musí mít dostatečnou ochranu proti korozi, aby chránil ocelový prvek. Vrchní nátěr nemusí plnit pouze estetickou funkci. Jeho dalšími funkcemi mohou být například ochrana proti okolní vlhkosti, UV záření a případnému drobnému mechanickému poškození.
Čtěte také: Vše o požární odolnosti OSB desek
Protipožární nátěry a nástřiky jsou na bázi tepelně stříkaných vrstev lehčených omítek s expandovaným perlitem nebo vermikulitem. V průmyslových objektech, kde estetika nehraje jednu z hlavních rolí, je možné pro ochranu ocelových konstrukcí použít i nástřik PROMASPRAY®.
1.2.3 Lepené obklady
Problematika lepených obkladů je u nás poměrně nová. Na našem trhu se tyto systémy objevily teprve před několika lety a i v evropském měřítku je aplikuje pouze několik velkých výrobců, např. firma Rockwool (systém CONLIT). Hlavním důvodem je skutečnost, že tyto systémy vyžadují velmi kvalitní a dlouhodobě spolehlivé lepidlo, které musí být jednak žáruvzdorné, trvale pružné, musí se trvale snášet s chráněným podkladem, musí pod obkladem zesíťovat i za omezeného přístupu vzduchu a po zaschnutí musí dlouhodobě odolávat vlhkosti.
Podstata lepených obkladů spočívá v tom, že se na chráněný podklad lepí různě dimenzované desky speciálně upravené čedičové plsti se sníženým obsahem pojiva. Výsledkem řešení je velmi lehký a trvale funkční protipožární obklad o objemové hmotnosti cca 200 kg/m³, pružný a flexibilní, schopný pokrýt často i značné nerovnosti chráněné plochy a s přijatelným vzhledem. Obklad velmi dobře drží na jakémkoliv antikorozním nátěru i na nerovných plochách, jako je např. trapézový plech. Dobře snáší kolísání vlhkosti až do 100 % relativní vlhkosti vzduchu a v podstatě znemožňuje rosení konstrukcí. Pokud je povrchově upraven, může být použit i pro venkovní aplikace. Dobře snáší i dynamické rázy, vibrace a podobné namáhání, obkladové desky nedilatují a jejich montáž je ve srovnání s deskovými obklady velmi jednoduchá a bezpečná, což umožňuje jejich efektivní využití i při rekonstrukcích a úpravách za provozu.
Důvodem, proč jsou lepené obklady tohoto typu považovány za zlomové, zásadní řešení v požární ochraně stavebních konstrukcí, je skutečnost, že jsou tyto obklady použitelné nejenom pro ochranu ocelových nosných konstrukcí, ale že s nimi lze chránit i veškeré železobetonové nosné i nenosné konstrukce, železobetonové vazníky, sloupy, včetně stěn, stropů, železobetonových panelů, a to jak předpjatých, tak i dutinových a stropů, kde je použit trapézový plech jako nosná výztuž. Vedle toho lze s těmito obklady chránit i nosné střechy z trapézového plechu a obvodové stěny z téhož materiálu.
Součinitel tepelné vodivosti λ = 0,041 a faktor difuzního odporu µ = 1,5; což samo o sobě znamená, že lze tímto způsobem vedle protipožární ochrany zajistit z větší části i významné zateplení chráněného prvku. Zanedbatelný není zlepšení akustických vlastností, zejména u železobetonových panelů a stěn. I když je cena přímo závislá na druhu obkládané konstrukce, pohybují se celkové náklady běžného lepeného obkladu v cenách od 500 do 950 Kč/m², přičemž se tato cena příliš nemění ani s rostoucími požadavky na požární odolnost.
Čtěte také: OSB desky a požární bezpečnost
V ČR je průkazně certifikován a odzkoušen dosud pouze jediný typ lepeného obkladu obchodní značky ORDEXAL, přičemž je třeba říci, že ve srovnání se zahraničím jsou jeho aplikační možnosti díky kvalitnímu lepidlu a jednoduchému technickému řešení v řadě aplikací dokonce ještě o kousek dál. Lepení obkladu na vodorovné stropní a střešní konstrukce dosud neprovádějí ani velcí zahraniční výrobci. Spolehlivá funkce lepidla při extrémních teplotách požáru, modelovaného podle mezinárodně platné ISO křivky - na které v podstatě použitelnost obkladu stojí - je velmi průkazně a dlouhodobě odzkoušena, a to i za velmi nepříznivých podmínek, opakovaně, řadou velmi tvrdých zkoušek prováděných téměř každý druhý den po dobu dnes již více než 4 let. Životnost kotvící vrstvy v praxi, to znamená za různých klimatických i aplikačních podmínek, se ověřuje dokonce již téměř dvacet let a nejenom v podmínkách ČR, ale i v zahraničí.
Tepelné izolace na vláknité bázi se v posledních letech setkávají v některých státech s určitou averzí s ohledem na možné karcinogenní působení respirabilní složky případně uvolňovaného prachu. I v tomto ohledu však lepené obklady pro daný účel plně vyhovují, protože izolační desky pro tento typ obkladů je v ČR nyní vyráběn již výhradně z tzv. Minerální panely jsou chemicky inertní, což znamená, že nepodporují růst hub, množení plísní či bakterií. Minerální vlna se vyrábí tavením diabosové sopečné horniny a dalších surovin při vysokých teplotách. Diabosové kameny se smíchávají s briketami, koksem, potom je tekutá láva v komoře přeměněna na vlákna za současného přidání hydrofobního impregnačního oleje a pojiva. Sendvičový panel KS 1150 TL je samozhášivý, je odolný proti ohni a nešíří požár, je uznávaný pojistiteli a k dispozici je na výběr velké množství typů pro různé stavby.
Konkrétní možnosti a dimenzace tloušťky obkladu pro jednotlivé typy konstrukcí uvádí následující tabulka:
| Typ konstrukce | Minimální krytí / tloušťka obkladu | Požární odolnost | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Železobetonové sloupy | 20 mm | R 30 - R 120 | Zlepšení akustických vlastností |
| Železobetonové stěny | 20 mm | R 30 - R 120 | Zateplení, zlepšení akustických vlastností |
| Železobetonové stropy (včetně dutinových a s trapézovým plechem) | 20 mm | R 30 - R 120 | Zateplení, zlepšení akustických vlastností |
| Ocelové nosné konstrukce | Dle požadavků | R 15 - R 240 | Velmi lehké a trvale funkční |
| Nosné střechy z trapézového plechu | Dle požadavků | R 15 - R 60 | Odolnost proti dynamickým rázům |
| Obvodové stěny z trapézového plechu | Dle požadavků | R 15 - R 60 | Odolnost proti vlhkosti |
Legenda k tabulkám:
- Tloušťka dutinových stropních desek se posuzuje podle ČSN 73 0821, poznámka 1) k tab. 4A a 4B.
- Tloušťku desky je možno posoudit dle ČSN 73 0821, poznámka 4) k tab.
1.3 Životnost požárně ochranných systémů
Podle ČSN 73 0810 musí být požadovaná požární odolnost stavebních konstrukcí při běžném provozu zabezpečená po dobu předpokládané životnosti stavebního nebo technologického díla. Při volbě vhodného typu systému je nutno brát v potaz právě životnost daného systému.
Obklady z desek PROMATECT® a nástřiky PROMASPRAY® mají pro určité druhy prostředí dle ETAG 018 prokazatelnou životnost nejméně 25 let. Ale z praxe víme, že desky PROMATECT® mají životnost i delší. Co se týká zpěňujících nátěrů (reaktivních nátěrových systémů) pro ochranu ocelových stavebních prvků, ty se mohou použít pouze v prostředích, do kterých jsou určeny. Roztřídění podle jednotlivých typů prostředí se provádí podle EAD (původně ETAG 018-2). V případě, že reaktivní nátěrový systém vyhoví zkouškám uvedeným v tomto předpisu, má se za to, že splňuje požadavky pro minimální životnost v daném prostředí po dobu 10 let. Nátěr PROMAPAINT® SC4 výše uvedeným zkouškám vyhoví a tudíž splní životnost minimálně 10 let. Česká technická norma ČSN 73 0810 se odkazuje na směrnici EAD (původně ETAG 018-2), která neobsahuje zkušební postupy pro vyšší životnost reaktivních nátěrových systémů než je 10 let. V případě, že skončí prokázaná životnost nátěru, je nutné původní požární nátěr pracně odstranit a aplikovat nový nátěr v celém systému stanoveném výrobcem (základní, reaktivní a ochranný nátěr).
2. Stanovení požární odolnosti a tepelných vlastností
Článek se zabývá analytickými a matematickými metodami pro stanovení tepelných vlastností a požární odolnosti použitých materiálů, s důrazem na ty, které podléhají tepelné degradaci. U materiálů, které podléhají tepelné degradaci nebo obsahují vodu nebo obojí současně, je třeba zahrnout změnu tepelné vodivosti při zvýšené teplotě za požáru. Změna měrné a objemové hmotnosti se neuvažuje. Přenos tepla probíhá vedením v pevném materiálu.
2.1 Tepelný přenos a součinitel průřezu
Většina studií se zabývá intumescentními nátěry a jejich vlivem na přestup tepla z nechráněné konstrukce do chráněné konstrukce. Teplo je vedeno z teplejších prvků do chladnějších. Jedná se o dobře popsaný jev a matematické nebo analytické metody pro jeho stanovení jsou připraveny. Velký vliv na výsledky mají zvolené vstupní údaje, okrajové podmínky a tepelné vlastnosti materiálu. Dále je třeba zohlednit způsob zahřívání ocelových prvků, vliv emisivity a součinitele přestupu tepla do konstrukce.
Požadovaná požární odolnost závisí hlavně na poměru mezi exponovanou plochou prvku, na kterou působí teplota při požáru, a objemem průřezu. Tento poměr, součinitel průřezu (A/V), je uveden v rozměrových tabulkách pro určení použitelnosti ochranných materiálů pro konkrétní prvek. „A“ představuje obvod průřezu vystaveného požáru a „V“ představuje plochu příčného průřezu ocelového prvku. „A“ se počítá rozdílně v případě požárních obkladů a v případě nátěrů a nástřiků. Subtilní profily mají vysokou hodnotu A/V a masivní profily nízkou hodnotu A/V. Tloušťka požární ochrany se vypočítá z A/V = Hp/A prutu.
2.2 Kritická teplota oceli
Kritická teplota oceli před ztrátou únosnosti se podle [35] pohybuje v rozmezí 580 °C až 750 °C. V případě stanovení rozsahu kritických teplot podle [36] se uvádí rozsah kritických teplot 498 až 1135 °C. Konečná kritická teplota ocelového prutu je ovlivněna poměrem zatížení, štíhlostí a účinkem bočních podpor. Východiska pro stanovení kritické teploty ocelových prvků uvedli Rubert a kol. [37] a porovnali je s novými poznatky z hlediska nerovnoměrného ohřevu [38].
Ocelové konstrukce se navrhují podle ČSN EN 1993-1-1. Pro navrhování ocelových konstrukcí na účinky požáru se postupuje podle ČSN EN 1993-1-2. Podle vzorců uvedených v těchto normách závisí kritická teplota oceli na stupni využití prvku. Stupeň využití prvků je definován podílem návrhového účinku zatížení za požáru a návrhové hodnoty únosnosti při požáru. Tyto výpočty jsou součástí statického posouzení. Pro návrhovou teplotu se používá i výraz kritická teplota. Pro účely návrhu tloušťky obkladu PROMATECT®, nátěru PROMAPAINT ® nebo nástřiku firmy Promat s. r. o. (např. PROMASPRAY®, Cafco FENDOLITE® MII) postačí zjednodušení hodnot teploty uváděné v čl. 5.1.3.
2.3 Částečná požární ochrana (Coatback)
U stropních konstrukcí s nechráněnými stropnicemi se teplo přenáší vedením do spojů a průvlaků díky dobré tepelné vodivosti oceli. Částečné požární ochrany se využívá například pro stropnice v oblasti spoje. Omezí se přenos tepla. V britské angličtině se částečná hrana nazývá coatback [32], [33], [34]. U intumescentních nátěrů není teplotní závislost tepelné vodivosti pevně stanovena, a to v důsledku jejich chemických reakcí a pěnění při zahřívání. Zjišťuje se chování nátěru a poté lze předpovědět množství pěnění. Při požáru intumescentní nátěry vytvoří několik vrstev, které mají různou tepelnou vodivost. Z tohoto důvodu se dává přednost použití výsledků požárních zkoušek tenkých ochranných nátěrů a odvození základního vztahu mezi tepelnou vodivostí a teplotou z nich.
2.4 Metody modelování tepelného působení
Modelováním tepelného působení pomocí jmenovité standardní teplotní křivky je dána vztahem (2). Tepelný tok v počátku požáru je trojrozměrný, zejména v blízkosti připojení k hlavnímu nosnému prvku. V požárním úseku je sekundární nosník chráněn podle požadavků na požární ochranu. Předpokládá se, že celý obvod nechráněného prvku je rovnoměrně vystaven působení tepla. Tato idealizace je v souladu s předpokladem, že nosník působí jako prut. Prut je izolován ochranným materiálem v místě připojení k primárnímu prutu. Tepelný tok z povrchu lze vyjádřit jako průměrnou hodnotu. Tepelný tok procházející prutem vychází z Fourierova zákona vedení. Parciální derivace druhého řádu v rovnici (4) je způsobena závislostí na čase a na teplotě. Kombinací rovnic (5) a (6) lze určit rovnici (7) v časové derivaci. Pro dosažení uzavřeného řešení podle rovnice (7) se uvažuje pouze délka izolovaného prvku. To znamená předpoklad, že konec prvku se po působení ohně náhle zahřeje na stejnou teplotu. Okrajové podmínky jsou tedy pro t = 0 a x = x, θ = θi je počáteční teplota nosníku. Diferenciální rovnici (7) lze řešit metodou konečných prvků nebo metodou konečných diferencí, případně metodou separace proměnných. Tvar tyče v kombinaci s okrajovými podmínkami naznačuje, že řešení lze vyjádřit pomocí již existujících mezilehlých řešení. Pro hledané řešení (11), musí Φ1Φ2 splňovat podmínky v rovnici (10). Obě strany rovnice jsou funkcemi jedné proměnné a rovnají se proto konstantě. Rovnice (12) je funkcí všech hodnot, takže hodnoty v závorkách jsou nulové. V rovnici (18), která v tomto případě uvažuje přidaný izolační materiál v ḣ, se K vztahuje k tepelné vodivosti oceli. Pro hranolovou tyč platí A/V = Hp/A, což je součinitel průřezu. Diferenciální řídicí rovnice je rovnice (18).
3. Informace o databázi klasifikací požárních vlastností
Požární klasifikace výrobků v souladu s evropskými technickými normami je základním předpokladem volného pohybu výrobků a jejich uvádění na trh. Databázová aplikace je poměrně rozsáhlý projekt celostátního významu. Databázový systém provozuje PAVUS, a.s., na svých internetových stránkách www.pavus.cz v tzv. kategorii „Klasifikace“. Jedná se o informace o dokumentech vystavených pro klasifikaci výrobků z hlediska požárních vlastností. Tyto dokumenty byly v průběhu let vydávány pod různými názvy (Protokol o klasifikaci, Požárně klasifikační osvědčení atp.) a v databázi byly sjednoceny pod jednu kategorii, bez ohledu na název vlastního tištěného dokumentu.
3.1 Typy klasifikací a vyhledávání
Aktuálně jsou v systému u kategorie dokumentů „Klasifikace podle ČSN EN 13501“ evidovány následující stavební výrobky. Klasifikace podle ČSN EN 13501 (kap. 7.1) nebo klasifikace podle rozhodnutí Komise (kap. 7.2). V evidenci databázové aplikace byly pro jednotlivé sledované výrobky, které příslušné protokoly popisují a zatřiďují, vytvořeny reprezentační typy výrobků s přihlédnutím ke klasifikační a zkušební normě.
Při vyhledávání je možné vybírat údaje „Vydal“, „Objednatel“ a „Výrobce“ z konkrétního seznamu, který se zobrazí po stisknutí šipky v pravé části pole. V seznamu se zobrazí názvy organizací (v abecedním pořadí) a je možné si při vyhledání pomoci stisknutím počátečního písmene názvu organizace na klávesnici. Vyhledávání je určeno objednavatelem. Kromě základních údajů dokumentu se v zobrazeném formuláři objeví také pole s názvem „Výrobek typu“. Toto pole umožňuje vybrat dokumenty, které odpovídají pouze jednomu typu výrobku. Volba se provede výběrem z nabídnutého seznamu, který se objeví po stisknutí šipky v prvé části pole. Rozšířením vyhledávacího formuláře o technické parametry příslušného typu vznikne možnost filtrovat i podle těchto parametrů. Vyhledání je možné provést zaškrtnutím příslušného pole u jednotlivých parametrů.
Po vyplnění vyhledávacího formuláře a stisknutí tlačítka „Hledat“ v dolní části formuláře se zobrazí seznam dokumentů odpovídajících výběru. V horní části obrazovky je volba pro výtisk tohoto seznamu a pod touto volbou je aktivní odkaz na nové hledání. Dva aktivní prvky jsou název objednatele a název výrobce. Tisk se provádí pomocí ikonky tiskárny. Všechny tiskové sestavy jsou upraveny tak, aby se tiskly jen potřebné zobrazené informace (tj. bez menu, grafických symbolů apod.).
4. Shrnutí a doporučení
V současné době je v ČR již poměrně značně rozsáhlý výběr protipožárních nástřiků a obkladů, pokrývající všechny stupně požární bezpečnosti a v nejrůznějším materiálovém i estetickém provedení. V oblasti deskových obkladů jsou na našem trhu zastoupeny všechny materiálové skupiny a všichni evropští výrobci. I když je výběr skutečně veliký, doporučuji před volbou materiálu vždy velmi pečlivě rozvážit nejenom požadavky a podmínky, které budou na obklad kladené po dokončení díla, ale i v průběhu stavby a vhodně upravit harmonogram dodávek prací i s ohledem na jejich návaznost a na předpokládané klimatické podmínky v době realizace. Mimo to doporučuji velmi pečlivě sledovat i veškeré doklady, protokoly a certifikáty k navrženým materiálům a to ještě před schválením aplikace, protože v této oblasti dochází nejčastěji k podvodům, záměnám materiálů a falšování dokladů.
tags: #pozarni #ochrana #ocelovych #nosnych #konstrukci #obklad