Acélszerkezetek tűzvédelmi megoldásainak korlátjai, avagy miben különbözik a hőre habosodó bevonat a passzív tűzvédelmi anyagoktól

Szerző: Szakál Regina tartószerkezeti tervező, tűzvédelmi szakmérnök, Mercor Dunamenti Zrt.

 

Acélszerkezetek tűzvédelmének biztosítása alapvetően két módon lehetséges: passzív- és reaktív működésű anyagokkal érhető el a megfelelő hőszigetelés, amely védi az acél tartószerkezetet a kritikus felmelegedés elérésétől.

A passzív viselkedésű anyagok azok, amelyek abban az állapotukban nyújtják a védelmet, ahogy felkerülnek a szerkezetre, tehát önmagukban hőszigetelőek. Ez azt is jelenti, hogy mérnöki módszerekkel számíthatóak az adott fizikai tulajdonságai alapján. Az EuroCode acélszerkezeti tervezésre készült kötete és tűzeseti viselkedésre készült része nyújt számítási képletet adott gázhőmérséklet hatására felmelegedő védett elem hőmérsékletéhez, amennyiben ismert a tűzvédő anyag sűrűsége, hővezetési tényezője és fajhője. A rétegvastagság pedig kereshető a kritikus hőmérséklet alapján. Mindemellett ezen ismerek nélkül tűztesztek alapján elvégzett termék engedélyek alapján is meghatározható a szükséges védelem vastagsága. Ilyen megoldásokra példa a tűzvédelmi habarcs, építőlap, hőszigetelés.

 

1. ábra MSZ EN 1993-1-2: Védelemmel ellátott acélelem hőmérsékletének számítási képlete; [2]

 

A reaktív anyagok abban térnek el az előzőektől, hogy hő hatására kémiai reakciók révén válnak hőszigetelővé, nem abban a formájukban, ahogy felkerültek a szerkezet felületére. A hőre habosodó tűzvédelmi festék jellemzően 200-250°C között alakul át vékony festékbevonatból felduzzadt, szénbázisú hőszigetelő réteggé. Ezáltal a felhordott állapotához képest megváltozik a vastagsága 40-60-szorosára, változik a hővezetési tényezője, a sűrűsége és a fajhője is. Mivel ezek a változások matematikailag nehezen leírhatóak és terméktől függőek, nem számíthatóak. Emellett a másik indok, ami miatt számításuk nem feltétlenül matematikai feladat az, hogy a felhabosodással összefüggésben a szelvények alakjától is függ a működésük. Tehát a reaktív tűzvédő anyagok esetében az EN 13381-8 számú vizsgálati szabványuk is megkülönbözteti a nyitott- és a zártszelvényeket, az utóbbin belül pedig a négyszögletes és kör keresztmetszeteket is. A kör alakú keresztmetszetek esetén képzeljük el, hogy az eredeti bevont kerülethez képest párhuzamosan habosodik, tágul ki az anyag, így a megnövekedett kerületet már nem tudja bezárni, így felhasad (2. ábra).

 

2. ábra Tűzvédelmi bevonattal ellátott kör alakú zártszelvény hosszirányú felhasadása a megnövekedett; [4]

 

Ezt a jelenséget mutatja be a 3. ábra is, amely a vizsgálat közbeni hőmérsékletváltozásokat mutatja be az acélelemen, így a védelem kialakulását és felhasadását is. Amikor a hab hasadása megtörténik, akkor jól láthatóan a védelem hatékonyságát veszti és a bejutó hő intenzíven melegíti fel ismét a szerkezeti elemet. Azonban, ha kellő habosodni képes anyaggal van bevonva a keresztmetszet, akkor létrejöhet egy újrahabosodó szakasz. Ez a jelenség okozza, hogy azonos tűzállósági követelmény esetén és azonos szelvénytényezőjű, de különböző alakú, azaz nyitott- és kör keresztmetszetű profilok eredményeit összevetve, sokszorosa lehet a szükséges rétegvastagság (DFT = dry film thickness = száraz rétegvastagság) a köralakú zártszelvényen a nyitott szelvénnyel összevetve.

 

3. ábra Tűzvédelmi bevonattal ellátott kör alakú zártszelvények vizsgálati hőmérsékletei és viselkedési fázisai

 

A fentiek egyértelműen magyarázzák, hogy miért zárja ki a reaktív anyag alkalmazása a matematikai alapú méretezését a szükséges védelmi vastagságnak.

Emellett van a vizsgálati szabvány által szabott másik korlát, amely a védendő elem karcsúságát korlátozza. Ez a maximum 400 1/m-ben van megállapítva, jellemzően a termékek eredményei ezen értékig vizsgáltak a tűzvizsgálatok alatt. Számos alkalommal adódik viszont olyan eset, amikor a védendő elem kiesik ebből a vizsgált intervallumból és kínálkozna a lehetőség, hogy extrapoláljunk rétegvastagságot (DFT) a táblázat adott értékeit felhasználva. Azonban az extrapolálás is rejt veszélyeket a szükséges biztonság elérésében, amely két eredményhez vezethet:

• Az acélprofilra nem kerül elegendő rétegvastagság az adott tűzvédelmi követelmény biztosítására, hiszen az előzőekben láttuk, hogy matematikailag nem egyértelműen leírható a védelem kialakulásának folyamata.
• Vagy a másik eset, amikor úgymond túlbecsüljük a rétegvastagságot és a szelvény olyan vastag bevonatot kap, ami felhabosodva a saját súlya alatt megrogyhat, leválhat a felületről. Tehát a hab esetleges megroskadása, leesése maximálizálja a bevonatok legnagyobb rétegvastagságát is.

Tehát lenne veszélye annak, ha becsléssel határoznánk meg a szükséges védelem mértékét. Amennyiben tűzállósági követelmény van egy szerkezettel szemben, már tervezéskor érdemes figyelni a szelvényválasztásra, ugyanis mechanikai szempontból lehetséges legkisebb súlyú szelvény nem feltétlenül adhatja a leggazdaságosabb megoldást. Egyrészt elképzelhető, hogy kiesik a tűzvédelmi bevonattal kezelhető intervallumból, másrészt pedig a tűzvédelmi szigetelőréteg vastagsága és felhordásának munkaigényessége miatt a teljes megoldás költsége magasabb lehet, mint egy nehezebb, nagyobb szelvény választásakor. Egyből a szelvénytényező alacsonyabb lesz, így a keresztmetszet felmelegedéssel szembeni ellenállása megnő, de még statikai szempontból a kihasználtsága is csökken, amely pozitív hatással lehet a tűzeseti kritikus hőmérsékletére is, amivel esetleg további csökkentést okoz a szigetelővastagságban. Tehát kétszeres lehetőségünk van némi csökkentésre tűzvédelmi szempontból, ami összköltség szempontjából elképzelhető, hogy kedvezőbb.

Felhasznált irodalom:

• MSZ EN 1991-1-2:2005: Eurocode 1: A tartószerkezetet érő hatások. 1-2.rész: Általános hatások. A tűznek kitett szerkezetet érő hatások
• MSZ EN 1993-1-2:2005: Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése. 1-2.rész: Általános szabályok. Tervezés tűzterhelésre
• Balázs L.GY., dr. Horváth L., Kulcsár B., dr. Lublóy É., Maros J., Mészöly T., Sas V., dr. Takács L., dr. Vígh L.G.: Szerkezetek tervezése tűzteherre az MSZ EN szerint; Magyar Mérnöki Kamara Tartószerkezeti Tagozat; 2010
• Dustin Häβler, Sacha Hothan; Numerical and experimental analysis of reactive fire protection systems applied to solid steel rods in tension. Application of structural fire engineering conference, S. 454-460, Prague, 2013.

 

Megjelent az Acélszerkezetek magazin 2021/III. számában.