Tehnologija proizvodnje čeličnih konstrukcija 10

Protivpoarna zatita elinih konstrukcija

1. Generalni koncept zatite od poara

Pod pojmom poar se podrazumeva nekontrolisano gorenje ijom se vatrom ugroavaju materijalne vrednosti i ljudski ivoti. Dejstvo poara je stihijsko i zavisi od velikog broja parametara.

Prema zvaninim podacima u svetu u poarima godinjestrada 2-6% stambenih zgrada, 40-50 hiljada ljudi izgubi ivot i nastanu ogromne materijalne tete.

Dugi niz godina se smatralo da je primena noseih konstrukcija od elika sa stanovita dejstva poara mnogo nepovoljnija u odnosu armiranobetonske konstrukcije.

Primenom savremenih metoda i u oblasti elinih konstrukcija mogu se postii vrlo strogi zahtevi u pogledu poarne otpornosti, uz smanjenje uea zatite od poara u ukupnoj ceni objekta.

Primeri posledica poara na jednom industrijskom objektu (slika levo) i na jednom hotelskom objektu (slika desno).

Primeri posledica poara

Pravilan pristup zatiti od poara podrazumeva projektovanje objekata na nain koji obezbeuje da u sluaju pojave poara ne doe do njegovog irenja koje biugrozilo ljude u poetnim stadijumima ili izazvalo ruenjekonstrukcije, ime se omoguava bezbedna evakuacija korisnika objekta.

Osnovni cilj bezbednosti od poara je smanjenje rizika od gubitka ljudskih ivota i materijalnih dobara.

Dobar i prikladan koncept sigurnosti od poara podrazumeva primenu kako sistema aktivne zatite (npr. rano otkrivanje poara, gaenje poara i sl.), tako i sistema pasivne zatite (npr. obezbeenje zahtevane poarne otpornosti konstrukcije, pregraivanje objekta na posebne poarne sektore itd.).

Izbor sistema poarne sigurnosti zavisi od verovatnoe pojave poara i od rizika po linu sigurnost korisnika objekta.

Pri razmatranju verovatnoe pojave poara treba voditi rauna o sledeem: delatnosti koja se obavlja u objektu i sadrini zapaljivih materijala, vrsti objekta (npr. vee dimenzije poarnih sektora poveavaju rizik), aktivnoj prevenciji poara (npr. postojanje detektora dima i sistema automatskih rasprivaa vode smanjujeverovatnou pojave poara).

Pri razmatranju rizika po linu sigurnost treba imati u vidu broj ljudi u objektu, njihovu starost, zdravstveno stanje, spratnost objekta i potrebno vreme za evakuaciju, kao i mogunost irenja dima i vatre na udaljene delove objekta ili susedne objekte.

Pored ovih faktora, na izbor stepena i oblika zatite od poara utiu i materijalni trokovi usled oteenja objekta, gubici opreme i dobara sadranih u objektu, potencijalniprekidi proizvodnje, oteenja susednih objekata i okoline,kao i razni drugi faktori.

Na izbor vrste i obima mera zatite od poara utie veliki broj parametara, a rezultat tog izbora ne treba da bude maksimalna mogua zatita, ve zatita prema potrebama u svakom konkretnom sluaju.

Ovakav pristup omoguava znatno smanjenje kotanja zatite od poara, koja uzima uea u ukupnoj ceni konstrukcija od elika i do 30%, bez ugroavanja opte sigurnosti.

U mere primarne zatite spadaju: povoljno oblikovanje prostora objekta sa stanovitapoarne otpornosti, upotreba materijala sa manje izraenim poarnimosobinama, primena elemenata nosee konstrukcije sa poveanom poarnom otpornou (meuspratne konstrukcije od profilisanih limova sa ispunom od betona, elini stubovi sa betonskom ispunom ili oblogom, upotreba spoljnih stubova i dr.), podela objekta na posebne poarne sektore primenom poarnih zidova, obezbeenje bezbednih puteva za evakuaciju, postavljanje otvora za odvod gasova i toplote, instaliranje ureaja za otkrivanje i gaenje poara (sprinkler sistemi).

2. Dejstvo poara na konstrukcije


Poarna otpornost graevinske konstrukcije, ili dela konstrukcije, definie se kao vremenski period tokom koga ona ispunjava postavljene funkcionalne zahteve. Ti zahtevi mogu se postaviti u pogledu: funkcije nosivost (element nosi optereenje), funkcije celovitosti (element ne dozvoljava prolaz poaru) i funkcije izolacije (element usporava irenje toplote provoenjem).

Dostizanje graninog stanja pri dejstvu poara zapravo predstavlja trenutak kada konstrukcija ili njen element vie ne zadovoljava jednu od nevedene tri funkcije, to je posledica pada mehanikih svojstava materijala ugraenih u elemente konstrukcije. Pri tome se funkcija nosivosti zahteva za nosee elemente kao to su stubovi i gredni nosai, funkcije celovitosti i izolacije za pregradne elemente i nenosee zidove, a sve tri funkcije moraju zadovoljiti nosei zidovi ili tavanice.

U veini zemalja, poarna otpornost konstrukcija se definie preko otpornosti pojedinih elemenata. Dokazivanje otpornosti konstrukcije, odnosno elementa konstrukcije pri dejstvu poara moe se predstaviti kroz zadovoljenje sledeeg uslova:

tz tugde je:- tz zahtevano vreme poarne otpornosti (klasa poarne

otpornosti),- tu utvreno vreme poarne otpornosti, koje moe biti

odreeno eksperimentalnim putem, primenom analitikih metoda ili primenom tabela, dijagrama ili empirijskih formula.

Zahtevana poarna otpornost za nosee konstrukcijske elemente definisana u propisima veine zemalja predstavljena je u jedinicama vremena (1/2,...,3h i vie) i predstavlja propisano minimalno vreme u kome konstrukcija ili njen element ne sme dostii granino stanje, u uslovima standardnog poara.

Prema veliini zahtevane poarne otpornosti, konstrukcije,odnosno elementi konstrukcija, svrstavaju se u odgovarajue klase poarne otpornosti (F30,...,F240).

U nacionalnim tehnikim regulativama mnogih zemalja vrednosti zahtevanih poarnih otpornosti precizno su definisane, kako za razliite tipove elemenata konstrukcije, tako i u zavisnosti od spratnosti i namene objekta, povrine i visine poarnih sektora objekta i sl. U naoj tehnikoj regulativi, ova problematika tretirana je u vrlo ogranienom obimu.

Tabela klase poarne otpornosti

3. Sistemi zatite od poara


Najee korieni sistemi za postizanje poarneotpornosti elinih konstrukcija obuhvataju upotrebu:

nezatienih (izloenih) elinih elemenata velike masivnosti ili izraene otpornosti,

elinih profila integrisanih u tavanice ili zidove objekta, izolacije, spregnutih elemenata od elika i betona i sistema hlaenja vodom.

Izbor efikasnog sistema zatite od poara zavisi, presvega, od tipa objekta i konstruktivnog sistema. Kratak pregled razliitih sistema zatite i mogunosti postizanja poarne otpornosti pojedinim sistemima, prikazan je u tabeli.

Tabela sistemi zatite od poara

3.1 Nezatieni elik


Sa porastom temperature dolazi do pada mehanikih svojstava elika. Za raunske svrhe, definisana je temperatura od 1200 C za koju se uzima da odgovara efektivnoj granici razvlaenja fy=0. U stvarnosti, meutim, granica razvlaenja ne pada do nule sve do temperature topljenja elika (1500 C), a takva temperatura se nikada ne javlja tokom poara.

Napon konstrukcijskog elementa u poarnom proraunu obino ne prelazi 50% njegove granice razvlaenja na sobnoj temperaturi. Usled toga, elementi izloeniravnomernom zagrevanju pri poaru, a koji nisu izloeni izvijanju, ostae stabilni sve do kritine temperature od 550 C pa i vie, to zavisi od konstrukcijskog sistema i nivoa optereenja u uslovima poara.

Dodavanjem, na primer, hroma, molbidena ili nekih drugih legirajuih elemenata eliku, moe se ublaiti pogoranje mehanikih svojstava elika.

Japanska elina industrija je proizvela legirani konstrukcioni elik, takozvani vatrootporni elik, sagarantovanom vrednou granice razvlaenja na temperaturi od 600 C od 2/3 standardne granice razvlaenja na sobnoj temperaturi. Tehnika proizvodnje elika sa poboljanim mehanikim svojstvima na povienim temperaturama, prema tome, ne predstavlja problem. Problem predstavljaju visoki trokovi proizvodnje takvog produkta.

Poarna otpornost elinog elementa zavisi od njegovogfaktora preseka. Element sa niim odnosom A/V e se zagrevati sporije od elementa sa veom vrednou ovog faktora, pa e zahtevati manje izolacije za postizanje iste poarne otpornosti.

Teki profili imaju tako niske odnose A/V, pa stoga i tako spore stope zagrevanja, da do loma ne dolazi u okviru 1/2h u uslovima standardnog testa, ak i kada su nezatieni.

Stubovi, koji se zagrevaju na sve etiri strane i koji imaju A/V < 50 m1, mogu se koristiti bez dodatne izolacije za klasu poarne otpornosti 1/2h (slika).

Uticaj faktora preseka na poarnu otpornost stubova

Grede, koje se zagrevaju na tri strane, mogu se koristiti nezatiene za klasu 1/2 h kada je njihov faktor preseka A/V< 110 m1 (slika).

Uticaj faktora preseka na poarnu otpornost greda

Poarna otpornost nezatienih elinih elemenata takoe moe biti poboljana i primenom metoda prorauna zasnovanih na realnim uslovima poara tj. uslovima ventilacije, stvarnom poarnom optereenju i sl.

Reenje kojem posebno treba obratiti panju u budunostije termo-mehanika analiza parcijalno zagrevanih okvirnih nosaa, koja omoguuje odreivanje globalnog strukturnog ponaanja sa realnim graninim uslovima. Ovakav pristup omoguava simulaciju lokalnih poara, uz prikaz unutranje preraspodele optereenja usled pojave lokalnih plastinih zglobova.

Tako dobijeni okviri, sa nezatienim gredama i stubovima odgovarajue poarne otpornosti, mogli bi imati globalnu poarnu otpornost u realnim uslovima i do 2h.

3.2 Integrisani strukturni elementi


Obino su elini elementi, na ovaj ili onaj nain, vezani za druge elemente objekta.

Oni mogu biti delimino ili totalno integrisani, na primer u zidovima ili tavanicama od betona, a to se moe iskoristiti kao prednost, s obzirom na njihova izolaciona svojstva.

Poarna otpornost dobijena na ovaj nain moe biti prilino visoka i to do 120min. Nekoliko primera ovakvog sistema zatite elinih elementa od poara prikazano je na slikama.

Integrisane eline grede i stubovi

3.3 Izolacija


Izolacija elinih elemenata je trenutno najee korieni nain njihove zatite od poara.

Kada konstrukcioni elini elementi treba da zadovolje stroge zahteve poarne otpornosti, mogu se zatiti slojem izolacionog materijala, tako da elik nije direktno izloenpoaru. Takav materijal mora imati visok izolacioni kapacitet, poeljno je da bude nezapaljiv i da ostane neporemeen tokom normalne eksploatacije, a pre svega, tokom celog perioda zagrevanja.

Materijal za izolaciju od poara treba da ima sledea svojstva: da ne proizvodi dim i toksine gasove na povienim temperaturama, dokazane izolacione karakteristike prema ISO-834 ili relevatnom nacionalnom standardu, nisku toplotnu provodljivost i toplotni kapacitet, otpornost na atmosferske uticaje, u sluaju spoljne primene, odgovarajuu mehaniku otpornost kako na sobnoj, tako i na povienim temperaturama,otpornost na udar i mogunost dobrog vezivanja ili prijanjanja za elini element, kako usled porasta temperature i deformacije elementa ne bi dolo do odvajanja ili pucanja zatitnogmaterijala. da je ekonomian sa niskom cenom primene, da ima zavrnu povrinu koja ne iziskuje dodatnu obradu.

Razvoj temperature elika kod zatienih elinih profila, osim od faktora preseka, zavisi i od:- termike provodljivosti i - debljine e izolacionog materijala.

Materijali za izolaciju od poara se mogu podeliti na:- izolacione table, - sprej-obloge,- protivpoarne premaze, - sputene plafone i zidne panele, - titove od toplotnog zraenja i beton, koji se moe koristiti i samo zbog ublaavanja efekata temperaturnog porasta bez sprezanja sa elinim elementom.

Izolacione table mogu biti od:- gipsa, - mineralnih vlakana, - lakih agregata kao to su perlit i vermikulit i - silikatnih vlakana.

Izolacione table se fiksiraju za eline elemente:- lepljenjem,- spojnicama ili - zarafljivanjem. Cena im je prilino visoka, s obzirom na potreban rad za njihovo privrivanje.

Zbog kutijastog izgleda, pogoduju primeni kod vidljivih,slobodnostojeih stubova.

Kod primene ove vrste izolacije elinih elemenata, u cilju prevencije prodora toplih gasova kroz spojeve, neophodno je uzeti u obzir deformacije i skupljanje panela usled suenja.

Izolacione table

Izolacione table

Sprej-obloge (slika) predstavljaju malter na bazi gipsa, mineralnih vlakana, ili lakih agregata kao to su perlit i vermikulit.

Njihovo nanoenje je brzo i pogodno za prekrivanjekompleksnih oblika i spojeva. Nanose se u vlanom stanju, to moe predstavljati problem u zimskim uslovima. Nanoenje sloja se moe vriti direktno na povrinu elika,ili na metalnu mreu fiksiranu za elik.

Sprej obloge

Cena im je i do 50% nia u odnosu na izolacione table.Mana im je lo izgled.

Ukoliko relativna vlanost vazduha nije visoka, primena ovog sistema zatite od poara eliminie potrebu za primenom posebne zatite od korozije. U uslovima stalne vlanosti, osnovni rizik ne predstavlja opasnost od korozije, ve potencijalni gubitak zatitnih svojstavazatitnog sloja.

Protivpoarni premazi predstavljaju supstance sline bojama koje se nanose u tankom sloju, debljine od oko 1mm, pa su pogodni za zatitu vidljivih i istaknutih elemenata od elika.

Na niim temperaturama su inertni, ali sadre komponentu koja na temperaturama od oko 150-300C oslobaa gas. Ovaj gas naduvava premaz u debelu karbonsku penu, debljine i do nekoliko santimetara, koja obezbeuje toplotnu izolaciju elika koji se ispod nje nalazi (slika).

Formiranje zatitne pene

Protivpoarni premazi

Osnovni premaz ovog sistema zatite nanosi se preko premaza za pripremu povrine koji obezbeuje dobru atheziju osnovnog premaza za elik. Preko osnovnog premaza nanosi se pokrivni premaz koji sistem titi od vlage tokom eksploatacionog veka konstrukcije.

Prema potrebi, preko ovako uraenog sistema moe se naneti jo jedan dekorativni premaz.

Protivpoarni tanki premazi, debljine do 5mm, na bazi rastvaraa ili vode, obezbeuju poarnu otpornost od 30min i vie, mada se najee primenjuju za vatrootpornosti do60min. Primena veine ovakvih premaza je ograniena na unutranje elemente, mada postoje sistemi prilagoeni i za primenu na otvorenom.

Protivpoarni debeli premazi, debljina od 3 do 50mm, na bazi epoksidnih smola, prevashodno se koriste kod hidrokarbonskih poara (sa hidrokarbonskim tipom goriva), sa mnogo otrijim reimom zagrevanja u odnosu na poar kod standardnih konstrukcija. Primenu nalaze i u uslovima poveane vlanosti (npr. kod bazena), s obzirom da su vodootporni.

Obezbeuju poarnu otpornost do 2h.

Mana im je velika debljina i vrlo visoka cena, koja se kree i do etiri puta vie od cene sprej-obloge.

Primena ovakvog sistema zatite, s obzirom da se u potpunosti moe naneti u radionici, omoguava znatne utede u vremenu izgradnje objakata.

- Mogunost automatskog nanoenja,- visok nivo kontrole kvaliteta, - mala debljina u odnosu na druge sisteme, - eliminacija problema vezanih za rad na gradilitu naroito u sluaju nepristupanih delova konstrukcije,predstavljaju dodatne prednosti ovakvog sistema zatite od poara.

Sputeni plafoni i zidni paneli slue kao tit i izolacija zagrede, tavanice i stubove od ekstenzivnog zagrevanja (slika).

Istovremeno obezbeenje sigurnosti protiv poara i drugih funkcija, kao to su toplotna izolacija, zvuna izolacija i estetska funkcija, rezultuje znatnim smanjenjem trokova i predstavlja prednost primene ovakvih elemenata.

Za ovakve sisteme zatite od poara ne postoje raunske metode za proraun zagrevanja elemenata od elika, ali se procena poarne otpornosti moe vriti putem interpolacije ili ekstrapolacije raspoloivih rezultata eksperimentalnih ispitivanja.

Izolacioni paneli: a) sputeni plafoni; b) zidni paneli

Sputeni plafon kao izolacioni panel

titovi od toplotnog zraenja mogu biti tanki elini paneli i betonski titovi koji se primenjuju za zatitu spoljnih elemenata konstrukcija, postavljenih van obimnih zidovaobjekta.

Svoju zatitnu funkciju ostvaruju na taj nain to smanjuju izloenost ovih elemenata zagrevanju iz unutranjosti objekta zahvaenog poarom. Razliiti naini ovakve zatite spoljnih stubova prikazani su na slici.

Zatita spoljnih stubova titovima

3.4 Spregnute konstrukcije od elika i betona


Kada su zahtevi poarne otpornosti strogi, alternativa konvencionalnoj zatiti elika od poara je primena spregnutih elino-betonskih elemenata. U tom sluaju, beton uzima uee u noenju optereenja i u isto vreme spreava irenje toplote do sredita poprenog preseka elinog elementa.

Pored nosee funkcije, meuspratne ploe imaju i pregradnu funkciju (spreavanje irenja poara izmeu spratova).

Primena spregnutih betonskih ploa sa profilisanim limovima, to se ovog kriterijuma tie, veoma je povoljna, s obzirom da i pri pojavi pukotina u betonu elini lim spreava prodor plamena i vrelih gasova. Osim toga, rasprskavanje (otpadanje) betona je spreeno, to poveava sigurnost ljudi koji uestvuju u gaenju poara.

Poarna otpornost nezatienih spregnutih betonskih ploa sa profilisanim limovima u velikoj meri zavisi od oblika profilisanog lima. Kree se od 30min za ploe sa profilisanim limom jednostavnog trapeznog oblika (slika a) do 90min za ploe sa sloenijim oblikom profilisanog lima (slika b).

Poveanje poarne otpornosti se moe postii merama kao to su vatrootporni sputeni plafoni, izolacione obloge ili dodatna elina armatura (koja nema statiku funkciju u normalnim uslovima ve samo u uslovima poara). Na taj nain moe se postii poarna otpornost i do 120 min.

Tipini popreni preseci spregnutih ploa sa profilisanim limovima

eline grede spregnute pomou modanika saarmiranobetonskom ili spregnutom ploom mogu biti potpuno izloene i delimino ili potpuno integrisane u beton (slika).

Mogue postignute poarne otpornosti dosta variraju i zavise od primenjenog sistema tj. od stepena izloenosti elika, kao i eventualne primenjene dodatne zatite izloenih delova preseka.

Popreni preseci spregnutih greda

Spregnuti stubovi mogu biti formirani na vie naina i mogu se podeliti na tri osnovna tipa: - stubovi sa ubetoniranim elinim profilom (slika a), - stubovi I-profila izbetonirani izmeu noica (slika b) I- stubovi od upljih elinih profila ispunjeni betonom (slika c).

S obzirom da je termika provodljivost betona mala, toplota se kroz betonski deo preseka iri mnogo sporije nego kroz elik. Na ovaj nain se stoga moe postii visoka poarna otpornost spregnutih stubova.

Osnovni tipovi spregnutih stubova

Poarna otpornost stubova sa potpuno ubetoniranim elinim profilom, koja moe biti i preko 120 min, prvenstveno zavisi od kapaciteta nosivosti elinog profila, s obzirom da u uslovima poara dolazi do preraspodele optereenja sa spoljanjeg betona.

Ispitivanja pokazuju da poveanje dimenzije sloja betona oko elinog profila nije od veeg znaaja i dapreseci sa istim profilom, a razliitim spoljnim dimenzijama betona praktino imaju istu klasu poarne otpornosti.

Ni poveanje procenta armiranja nije od znaaja za poarnu otpornost, s obzirom na brzo zagrevanje armature. Kod ovakvih stubova, u uslovima poara,osnovna uloga armature je da sprei prskanje betona i da obezbedi kompaktnost preseka.

Delimino ubetonirani spregnuti stubovi, koji se u praksi esto primenjuju, mogu postii poarnu otpornost od 120min i vie.

U ovom sluaju poduna armatura je zatiena od brzog rasta temperature, pa zajedno sa rebrom elinog profila, doprinosi nosivosti i krutosti preseka na povienim temperaturama.

Radi sprezanja elika i betona potrebno je uzengije zavariti za rebro elinog profila ili predvideti modanike za sprezanje.

U cilju postizanja vee poarne otpornosti preporuljivo je koristiti eline profile sa rebrom vee debljine.

Stubovi od upljih elinih profila ispunjeni betonompredstavljaju dosta jednostavno reenje postizanja poarne otpornosti. Meutim, s obzirom da je elini deo preseka direktno izloen dejstvu poara, postignute poarne otpornosti se kreu do 60min za nearmirane stubove.

Naravno, uz primenu dodatne spoljne zatite elika ili dodatne armature, poarna otpornost koja se moe postii je i u ovom sluaju znatna, preko 120min. Ona zavisi od kvaliteta betona i vrste i koliine armature, s obzirom da na visokim temperaturama dolazi do preraspodele optereenja na unutranji armiranobetonski deo preseka.

3.5 Hlaenje vodom


Primena nezatienih elinih konstrukcija je atraktivna kako sa arhitektonskog tako i sa konstrukcijskog stanovita. Upotrebom sistema hlaenja vodom dobija se reenje koje omoguava, ak i pri veoma strogim zahtevima poarne otpornosti, primenu izloene elinekonstrukcije.

Da bi se postiglo hlaenje eline konstrukcije vodom u sluaju poara tj. uklanjanje toplote, a samim tim i odranje nosivosti, mogue je primeniti dva sistema:1. uplji elini profili ispunjeni vodom i 2. spoljni rasprivai vode.

U sluaju upljih elinih profila ispunjenih vodom efekti hlaenja vodom u uslovima poara se sastoje od sledeih fizikih fenomena:1. Apsorpcija toplote: voda sadrana u konstrukcijskim elementima poveava njihov toplotni kapacitet i na taj nain smanjuje temperaturu elika;2. Odvoenje toplote cirkulacijom vode: usled razlike u gustini tople i hladne vode, topla voda se kree navie i biva zamenjena hladnom vodom koja dalje apsorbuje toplotnuenergiju;3. Isparavanje vode: na povienim temperaturama dolazi do pojave isparavanja vode to takoe utie na smanjenje temeperature elika, jer se meavina pare i vode, zbog svoje manje gustine u odnosu na istu vodu, kree navie kroz sistem, a zatim se hladi i kondenzuje, npr. u vodenim cisternama na vrhu objekta.

U veini sluajeva, kombinuju se sva tri navedena efekta i mogue je svoenje maksimalne srednje temperature elika do oko 200 C (slika). Konstrukcijski elementi mogu biti ispunjeni vodom trajno ili samo u sluaju izbijanja poara. U prvom sluaju treba voditi rauna o zamrzavanju vode i korozionim aspektima. Kod sistema kod koga sekonstantno vri cirkulacija vode, poarna otpornost je praktino neograniena.

Spoljni rasprivai vode se mogu koristi bilo za hlaenje noseih elementa bilo za hlaenje neizloene strane sektora u kome je dolo do pojave poara, radi spreavanja njegovog daljeg irenja.

Razvoj temperature upljih elinih profila ispunjenih vodom

Documents

Tehnologija proizvodnje čeličnih konstrukcija 10