Megelőzés

Szakál Regina – Optimális tűzvédelmi megoldás tervezése acélszerkezetekre I.

Az acélszerkezetű épületek tervezése – előnyös tulajdonságaik miatt – reneszánszát éli. Ugyanakkor ezek a szerkezetek tűzvédelmi szempontból sebezhetők. Az acélszerkezetű épületek tűzeseteinek elemzése és a védelmi módok bemutatása után (Tűzvédelem 2023/4-5.) a védelmi módok tervezésének lehetőségeit mutatja be szerzőnk. Mindez a felderítéshez a beavatkozó tűzoltóknak is iránymutatásul szolgálhat.

 

Alapok a tervezéshez

A tervezési folyamat elején az acélszerkezet tűzvédelmi megoldásának kiválasztásához számos kérdésre kell választ találnunk:

• Milyen típusú termékkel oldjuk meg az épület acélszerkezetét?
• Ennek optimális kiválasztásához milyen tényezőket kell ismerni és ismertetni a műszaki megoldás kidolgozójának?

A szerkezetek védelmét szolgáló tűzvédelmi termékek feloszthatók

• bevonatokra, amelyek lehetnek vékony bevonatok, azaz festékek és vastag bevonatok, vagyis habarcsok; illetve
• lapburkolatokra.

A vizsgálati szabványok (MSZ EN 13381-4 és -8) pedig tűzvédelmi viselkedésük alapján különböztetik meg a termékeket, azaz amilyen módon tűz esetén védik, hőszigetelik az acélszerkezetet. Az azonban közös, hogy a profiltényező, szelvényalak és kritikus hőmérséklet ismeretében lehet megadni a szükséges védelmi vastagságot az adott tűzállóság eléréséhez. A cél tűz esetén a kritikus hőmérséklet alatt tartani az acélszerkezetet.

Acélszerkezetek tűzvédelmének biztosítása alapvetően két módon lehetséges: passzív és reaktív működésű anyagokkal, amelyek védik az acél tartószerkezetet a kritikus felmelegdés elérésétől.

A következőekben ezeket a tényezőket és a hatásukat tekintjük át a védelem kialakításában.

 

Passzív tűzvédelmi anyagok

A passzív viselkedésű anyagok azok, amelyek abban az állapotukban nyújtják a védelmet, ahogy felkerülnek a szerkezetre, tehát önmagukban hőszigetelők. 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 gázhő- mérséklet hatására felmelegedő védett elem hőmérsékletéhez (1. ábra), amennyiben ismert a tűzvédő anyag sűrűsége, hővezetési tényezője és fajhője. A rétegvastagság pedig kereshető a kritikus hő- mérséklet alapján. Mindemellett ezen ismeretek nélkül elvégzett tűzteszteken alapuló termékengedélyek alapján is meghatározható a szükséges védelem vastagsága. Ilyen megoldásokra példa

• a tűzvédelmi habarcs,
• az építőlap, és
• a hőszigetelés.

Reaktív tűzvédelmi anyagok

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

• a vastagsága 40-60-szorosára nő,
• változik a hővezetési tényezője, a sűrűsége és a fajhője

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 kerületen minden pontról elindul a festék kihabosodása nagyjából ötvenszeres mértékben, így a megnövekedett kerület nem minden pontjára jut anyag, így felhasadhat (2. ábra). Ezt a jelenséget mutatja be a 3. ábra is, amely a vizsgálat közbeni hőmérsékletváltozásokat követi az acélelemen, így a hőszigetelő hab kialakulását és felhasadását is. Amikor a hab hasadása bekövetkezik, akkor jól láthatóan a hőszigetelés hatékonyságát veszti és az egy ponton bejutó hő az acélanyag jó hővezetése miatt intenzíven melegíti fel ismét a profilt. Azonban ha kellő mennyiségű habosodni képes anyaggal van bevonva a kereszt- metszet, létrejöhet egy újrahabosodó szakasz, mert lesz elegendő reaktív bevonat. Ez a jelenség okozza, hogy azonos tűzállósági követelmény esetén és azonos szelvénytényezőjű, de különböző alakú, azaz nyitott- és kör keresztmetszetű profilok eredményei jelentősen különbözhetnek, egy kör keresztmetszet szükséges rétegvastagsága (DFT = dry film thickness = száraz rétegvastagság) sokszorosa lehet a nyitott szelvényével összevetve.

Mindezek egyértelműen magyarázzák, hogy a fizikai tulajdonságok változása mellett miért nem lehetséges reaktív anyag alkalmazásakor a matematikai alapú rétegvastagság-méretezés.

Hőre habosodó festékek – alkalmazási korlátok

Emellett van a vizsgálati szabvány által szabott másik korlát, amely a védhető elem karcsúságát korlátozza. Ez a maximum 400 1/m-ben van megállapítva! Ezért a termékek eredményei jellemzően ezen értékig vizsgáltak a tűztesztek során.

Számos alkalommal előfordul viszont olyan eset, amikor a védendő elem kiesik ebből a vizsgált intervallumból, ekkor 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:

1. Az acélprofilra nem kerül elegendő rétegvastagság az adott tűzvédelmi követelmény biztosítására, hiszen az előzőekben lát- tuk, hogy matematikailag nem egyértelműen leírható a védelem kialakulásának folyamata.
2. A másik eset, amikor túlbecsüljük a rétegvastagságot a biztonság javára, így a szelvény olyan vastag bevonatot kaphat, ami felhabosodva a saját súlya alatt megrogyhat, megcsúszhat a felületről. Tehát a hab esetleges megroskadása, leesése maximálizálja a bevonatok legnagyobb rétegvastagságát Az ETA engedélyekben gyakran meg is van adva, hogy mi a legvastagabb alkalmazhatóság.

 

 

Kritikus hőmérséklet és szelvénytényező

 Egy adott szerkezeti elem tűzállósága, illetve a szükséges védelmének mértéke három tényezővel jellemezhető:

• szelvény alakjával,
• a kritikus hőmérsékletével és
• a profiltényezőjével.

A kritikus hőmérséklet az a pont, amelynél az acélelem elveszíti teherbírását a csökkentett mechanikai hatásokkal szemben. Minél magasabb ez a hőmérséklet, annál több teherbírási tartalékkal rendelkezik a szerkezet a rendkívüli tűzteher esetére, tehát kisebb hőszigetelő réteggel elegendő védeni a megfelelő működésének megtartása érdekében.

 

A szelvénytényező pedig a felmelegedés mértékét mutatja, azaz, hogy milyen saját ellenállása van a szelvénynek a hőmérséklet emelkedésével szemben. A szelvénytényező (jelölése Am/V az EN szabványok körében vagy U/A jelölés a bevonatos szakmában) az adott szerkezeti elem hőhatásának kitett kerületének, és területének hányadosa, tehát minél karcsúbb egy szerkezeti elem, annál nagyobb ez a tényező és ezzel összefüggésben annál nagyobb védelemre van szüksége a felmelegedés ellen (4. ábra).

Mindezekből nyilvánvaló, hogy milyen fontos az egyedi kritikus hőmérséklet ismerete annak érdekében, hogy optimális védelem készüljön az adott szerkezetre. A jelenleg érvényben lévő vizsgálati szabványok, az MSZ EN 13381-4 és -8 lehetőséget is adnak erre, ugyanis 9 kritikus hőmérsékletet definiálnak 350–750 °C-ig. A régi MSZ 14800-1 szabvány ezzel szemben egyetlen kritikus hőmérsékletet, az 500 °C-ot használta minden olyan nyitott szel- vényre, amelynek minden lemezvastagsága elérte az 5 mm-t, és ehhez kapcsolódóan határozta meg az adott tűzállósági követelmény kielégítéséhez szükséges tűzvédelmi bevonat vastagságát. Ehhez képest jelenleg bonyolultabb a rétegvastagság meghatározása, azonban segíti a szakszerű, versenyképes megoldásokat.

(Folytatjuk – szerk.)

 

Szakál Regina tartószerkezeti tervező, tűzvédelmi szakmérnök kereskedelmi igazgató

Mercor Dunamenti Zrt. szakalr[email protected]

 

Megjelent a Tűzvédelem című magazin 2024/I. számában.