Im większy obiekt i im liczniejsza grupa jego użytkowników, tym większy ciężar gatunkowy w kontekście ochrony przeciwpożarowej. Doskonale wiedzą o tym inżynierowie i architekci pracujący w obszarze budownictwa wielorodzinnego, biurowego czy handlowo-usługowego. Podstawą, która w chwili wystąpienia ognia utrzymuje obiekt w strukturalnych ryzach, są konstrukcje ścian, słupów czy stropów, a materiałem, który odgrywa kluczową rolę, jest stal – w postaci różnej maści profili czy belek stropowych. Poszczególne elementy wymagają konkretnego podejścia. W poradniku wyjaśniamy krok po kroku, jak poprawnie dobierać rodzaj i grubość izolacji przeciwogniowej dla stalowych elementów konstrukcyjnych.

Finalny projekt izolacji przeciwogniowej dla konstrukcji stalowych powinien stanowić wynik rozważań na dwóch głównych płaszczyznach:

• prawnej – w kontekście wymaganej klasy odporności ogniowej oraz stosowanych metod pasywnej ochrony przeciwpożarowej budynku,
• fizyczno-mechanicznej – w odniesieniu do krytycznej temperatury oraz wskaźnika masywności kształtu wykorzystywanych materiałów i elementów konstrukcyjnych.

Na początek skupmy się na tej pierwszej.

Określenie klasy odporności ogniowej konstrukcji

Wymagana odporność ogniowa danego elementu konstrukcyjnego w głównej mierze zależy od zadania, jakie pełni w kontekście całego budynku. Poziom docelowej ochrony wynika także ze sposobu użytkowania samego obiektu. Jedną z kluczowych wytycznych w polskim prawie budowlanym jest wysokość budynku, która będzie inna na przykład dla drapacza chmur, a inna dla hali magazynowej. W każdym z przypadków rolą konstruktora jest określenie warunków, których dany element czy sekcja nie wytrzyma z punktu widzenia nośności (R), integralności (E) oraz izolacyjności ogniowej (I), a następnie dobór takich rozwiązań, które w oparciu o kodeks budowlany zapewnią dostateczny stopień ochrony.

Tyle teorii. Jak sytuacja wygląda w praktyce? W praktyce izolacja stalowych elementów konstrukcyjnych sprowadza się przede wszystkim do utrzymania wymaganej nośności ogniowej w czasie pożaru. – W warunkach wystąpienia niekontrolowanego ognia, stalowe konstrukcje nośne nagrzewają się w bardzo szybkim tempie. W zależności od grubości profili, ich pola powierzchni przekroju i wytrzymałości zastosowanego betonu, utrata połowy wytrzymałości to kwestia od 15 do 40 minut – wyjaśnia Adam Buszko, ekspert firmy Paroc, producenta izolacji budowlanych z wełny kamiennej. – Minimalne wymagania odporności ogniowej dla podstawowych konstrukcji budowlanych wynoszą najczęściej 30-150 minut – dodaje.

Dobór metody ochrony przeciwpożarowej i rozwiązań izolacyjnych

W zależności od poziomu wymaganej ochrony oraz uwarunkowań konstrukcyjnych, architekci mogą wybrać sposób izolacji odpowiedni do danego profilu stalowego. W kontekście technologii do naszej dyspozycji są izolacje nakładane natryskowo, jak też niepalne płyty z wełny kamiennej. Na szczególną uwagę zasługuje ten drugi materiał. Należy bowiem pamiętać, że izolacja również przewodzi ciepło. W pełni obciążona belka stalowa, poddana oddziaływaniu z 4 stron, traci wytrzymałość przy 550°C. Za normalną temperaturę krytyczną stali przyjmuje się zaś już 450°C. Tymczasem pożary w budynkach niejednokrotnie przekraczają nawet 1000°C i to w relatywnie krótkim czasie, bo od 30 do 60 minut. Wełna kamienna to jedyny na rynku materiał, który chroni konstrukcje stalowe na tym poziomie.

Do zabezpieczania konstrukcji stalowych inżynierowie w pierwszej kolejności powinni sięgać po płyty o dużej gęstości. – Co do zasady, Im wyższa gęstość materiału izolacyjnego, tym dłuższy czas ochrony przeciwpożarowej – podpowiada Adam Buszko, który w tym celu rekomenduje płyty PAROC FPS 17, dla których udało się uzyskać gęstość na poziomie około 170 kg/m³. – Płyta wchodzi w skład systemu PAROC FireSAFE, który pozwala na osiągnięcie wymaganej odporności ogniowej dla konstrukcji stalowych i jej komponentów nawet na poziomie R210, czyli do 3,5 godziny. Możliwości systemu potwierdza prestiżowa, Europejska Aprobata Techniczna ETA 08/0093 – dodaje ekspert.

Ustalenie współczynnika masywności kształtu i dobór systemu izolacyjnego

Co zrobić, aby zapewnić utrzymanie temperatury profili stalowych poniżej temperatury krytycznej, również w przypadku narażenia elementu na działanie ognia ze wszystkich stron? Ważnym parametrem przy obliczeniach jest wskaźnik masywności kształtu F/A, który pomaga dobrać odpowiednią grubość izolacji. Parametr ten wyraża stosunek wielkości narażonej na działanie ognia do przekroju stalowego w danym profilu. – Im większy przekrój kształtownika stalowego w stosunku do obwodowej, nagrzewającej się powierzchni, tym lepszą ma on odporność ogniową. Mały i gruby przekrój stalowy będzie zwiększał swoją temperaturę wolniej, niż element duży i cienki – wyjaśnia Adam Buszko. – Wysoki wskaźnik masywności kształtu oznaczać będzie szybki wzrost temperatury stali, a co za tym idzie – konieczność zastosowania izolacji o większej grubości – dodaje ekspert Paroc.

Tabela 1. Wskaźnik masywności kształtu FA dla większości zwykle stosowanych profili stalowych

Jak w prosty sposób dobrać optymalną grubość izolacji pod kątem wskaźnika masywności kształtu F/A? W tym celu należy odnaleźć parametr w specyfikacji produktowej producenta stali, a następnie, w oparciu o poniższą tabelę, wyszukać klasę ogniową oraz wymaganą grubość izolacji.

Uproszczone narzędzie do określania wymiarów izolacji oparte jest na bardziej zaawansowanej instrukcji z Raportu Oceniającego 103203.22, przygotowanego przez SINTEF NBL. Przybliżona metoda opiera się na założeniu, że profil stalowy jest w pełni obciążony ze statycznego punktu widzenia. Za pomocą tego narzędzia można zawsze obliczyć wymiary izolacji z akceptowalnymi marginesami bezpieczeństwa. Metody Badania wykonywane są zgodnie z normą PN-EN 13501-2 oraz metodami badawczymi ENV 13381-4, a obliczenia zgodne z metodami ENV 13381-4 Załącznik H.

Tabela 2. Grubość izolacji z płyt PAROC FPS 17 (mm) dla temperatury krytycznej stali 450°C.