Megelőzés

Szakál Regina – Vasbeton szerkezetek védelme szénhidrogéntűz ellen – Elektromos járműtűz jellegzetessége

Mik a vasbetonszerkezetek tűzeseti viselkedésének veszélyei? Milyen hőfejlődési jelenséget mutat az elektromos autók tüze? Hogyan lehet felkészülni az új tűzvédelmi kihívásokra? Ezekre a kérdésekre ad gyakorlati választ szerzőnk.

 

Termikus hatás felvétele

A tartószerkezetek tűzvédelmében a termikus hatás típusának igen jelentős szerepe van, hiszen minden építőanyag valamilyen módon kedvezőtlenül reagál a magas hőmérsékletre és természetesen nem elhanyagolható a megfelelősége szempontjából, hogy

• mennyire magas a hőmérséklet,
• mennyi idő alatt és milyen felfutással alakul ki.

A termikus hatás felvehető egyedi hőmérsékleti vizsgálatokkal és névleges, szakmai körökben egységesen értelmezett tűzhatásgörbékkel. A tűzgörbék a tűzvédelmi termékek vizsgálatának szempontjából is fontosak, ugyanis így egységes követelménynek megfelelően, azonos tűzhatással szemben vizsgálják a beépített anyagokat. Ezeknek a névleges tűzgörbéknek mérnöki megállapodás az alapja. A biztonság javára mindegyik elhanyagolja a belobbanás (flashover) előtti parázsló, lokális tűz fázisát. Emellett egyiknek sincs hűlési szakasza, tehát nem számol az éghető anyag elfogyásával. További közös tulajdonságuk, hogy az adott vizsgált térben a mérettől, geometriától függetlenül minden pontban azonos hőmérsékletet feltételeznek az adott időpillanatban.

Az európai szabványsorozatok (EN 1363-1, EN 1363-2 és EN 1991-1-2) által megkülönböztetett névleges tűzhatások közül a legáltalánosabban alkalmazott a szabványos ISO834 tűzgörbe (1. ábra), amely cellulózalapú anyagok égését modellezi, tehát egy hétköznapi épületet, funkciót, berendezést feltételez, mint például fa vagy papír égése. Emiatt a tűzvédelmi anyagok, termékek túlnyomó többségének tűzvizsgálati szabványa erre a tűzgörbére validálja a tűzállósági megfelelőséget. A tűzgörbe felfutása viszonylag gyors, 15 perc alatt a hőmérséklet már jócskán 700 °C felett van és végig monotonon növekvő, azonban a növekedés léptéke idővel lassul. A műszaki specifikáció, amely alapján az építési termék betervezhető az adott beépítési feltételekkel és teljesíti a vizsgált tűzállósági követelményt, lehet harmonizált termékszabvány vagy Európai Műszaki Engedély (ETA). A 305/2011 CPR európai rendelet alapján építési termék ezen műszaki specifikációk alapján teljesítménynyilatkozattal (DoP) hozható forgalomba.

1. ábra szabványos iso834 hőmérséklet-idő görbe; [2]

 

Gyors felfutású, magas hőterhelésű tüzek – elektromos járműtűz

Viszont napjainkban, a hétköznapi életben is megjelenhetnek olyan funkciók, amelyeknek a tűzveszélyessége és az égésük lefolyása nem hasonlítható a fent említett cellulóz-jellegű, ISO834 tűzgörbéhez. Ennek egy ékes példája az elektromos járművek által zárt terekben okozott magas hőterhelésű és gyors felfutású tűz. Ezek a tüzek egy akár szemmel láthatatlan ok (túltöltés, rövidzárlat, baleset miatti mechanikai sérülés) miatt elkezdődhetnek, ráadásul a kialakult láncreakció nem vagy csak nagyon nehezen állítható meg. A tűz keletkezése után a valós tűztesztek eredményei alapján nagyon gyorsan 800–1500 °C közötti hőmérsékletek alakultak ki, tehát jóval magasabbak, mint az ISO834 tűzgörbe által definiált hőmérséklet és még az oltásuk is sokkal nehezebb. Hosszabb oltási időre és jóval nagyobb mennyiségű oltóvízre volt szükség a teszt során, mint a hagyományos járművek esetében. Így a témával foglalkozó Tűzvédelmi Műszaki Irányelvben (Elektromos személyautók töltése és tárolása gépjárműtárolókban, Tűzterjedés elleni TvMI P melléklet P.1.6.6.) olyan szakmai megegyezés fogalmazódott meg, hogy a szabványos tűzgörbékkel a következő két módon közelíthető meg ez a gyors hőfejlődés.

2. ábra liverpooli nyitott gépjárműtároló tűzesete; [4]

• Amennyiben az adott tűzszakaszban automatikus oltóberendezés kerül kialakításra, alkalmazható az ISO834 zárttéri cellulóz tűzgörbe.
• Viszont ha nincs oltóberendezés beépítve, akkor az érintett helyiségekben a szénhidrogéngörbe alkalmazása javasolt, mivel nincs az oltóberendezés által biztosított tűzkontrolláló hatás a térben.

A szénhidrogéngörbe eredendően a petrolkémiai és tengeri (off-shore) olajüzemeknél alkalmazott tűz, ahol az éghető folyadék vagy gőzeinek, gázainak meggyulladása a kockázat, amely egy sokkal magasabb tűzhatással jár, mint a cellulóz alapú tüzek. Ennek a tűzhatásnak sincs lehűlő szakasza, ráadásul magasabb hőmérsékleten, 1100 °C-on tetőzik, amit már 30 perc alatt el is ér (3. ábra). Az eltérés oka, hogy a szénhidrogének hirtelen belobbanása meredekebb emelkedést eredményez, emellett nagyobb hőfejlesztésük pedig nagyobb kitéti hőmérsékletet jelent. Emiatt is és az alkalmazásuk miatt is az ISO834 cellulóztűztől eltérő szabványok vonatkoznak a vizsgálatukra és igazolásukra.

3. ábra szénhidrogén-tűzgörbe; [2]

 

Vasbeton szerkezetek viselkedése tűz hatására

A„Spalling” – réteges leválás

A vasbeton szerkezetekkel kapcsolatban az az általános meg- állapítás, hogy tűzvédelmi követelmény esetén acélszerkezetekkel összehasonlítva kedvezőbb a viselkedésük. Ez részben igaz, de nem teljesen, mert jelentős fizikai és kémiai változások zajlanak a beton alkotóelemeiben is magas hőmérsékleten. Azonban az mindenképp igaz, hogy nagyobb szerkezeti vastagságuk miatt a felmelegedésük lassabban, kedvezőbben alakul, mint a filigránabb acélszerkezeteké. Viszont ha a felmelegedés végbemegy, akkor az acélhoz hasonlóan

• 400–500 °C körül már veszélyes hőmérsékleti zónában lesz a szerkezet.
• 400 °C-ig a hőmérséklet felfutásának gyorsasága is mértékadó az úgynevezett réteges leválás, azaz a „spalling” szempontjából.

Ez a folyamat a beton tűzzel szembeni viselkedésének egyik gyenge pontja, ugyanis a szerkezeten lévő betontakarás leválását tudja okozni, ami az acélbetétek hőszigetelésének legfontosabb része. Maga a folyamat azon alapszik, hogy a beton technológiájából adódóan a szerkezetében lévő fizikailag kötött víz a felmelegedés hatására gőzzé alakul és az alacsonyabb nyomású zóna irányába áramlik, tehát a beton felszíne felé, ezen az úton pedig az acélbetétek felületén lecsapódik és kondenzvízként összegyűlik. Majd ezen a fronton a hő hatására újra gőzzé tud alakulni, és ez a gőznyomás képes lefeszíteni a felette lévő betonréteget, így az acélbetétek szabadon maradnak a felmelegedés hatásának közvetlenül kitéve. Ez a jelenség nagymértékben és kiszámíthatatlanul felgyorsítja a vasbeton szerkezet tönkremenetelét.

4. ábra „spalling”, azaz a réteges leválás folymata; [1]

Mivel a szénhidrogén-tűzgörbénél pont ebben a kritikus hő- mérsékleti szakaszban rendkívül gyors a felmelegedés léptéke, erre a tűzre reagálva a „spalling” jelenség igencsak gyakori lehet. Ennek elkerülésére is ad lehetséges javaslatot a fentebb említett TvMI P melléklete. Ezek:

1. a betonkeverék szálerősítése;
2. a beton járulékos tűzvédelme, amely lehet bevonat vagy burkolat; vagy zsaluzó kéregpanel.

5. ábra tecwool 825 igazoló tesztje rws és hcm tűz ellen; [3]

Beton szilárdságvesztése

A felmelegedés további szakaszában,

• 500 °C-tól elindul a beton szilárdságvesztése, amely a kalcium-hidroxid bomlásának folyamatával függ össze. Ezen a hőmérsékleten a beton tervezési szempontból már nem tekinthető teherhordónak, így ennek elérésével a keresztmetszetet csökkenteni kell ezzel a területtel, amelyben már kialakult az 500 °C-os hőmérséklet.
• 570°C-nál a kvarcalkotók kristályátalakulása miatt térfogat-növekedés jelentkezik, ami további károsodást jelent a beton szerkezetén belül, majd ezt meghaladva a kúszás jelensége is felerősödik.
• 700 °C-nál pedig a kalcium-szilikát-hidrát vegyületek bomlásával már a teljes szilárdságvesztésig eljut a szerkezet.

Ebből azért egyértelműen látszik, hogy a betonszerkezetek – tulajdonságaik alapján – lassabban melegszenek fel az acélszerkezeteknél, azonban az elért hőmérsékletek hasonló szakaszokban veszélyesek a teherbírásukra, így a vasbeton szerkezetek tűzvédelme ugyanúgy egy kiemelten fontos feladat, mint az acélszerkezeteké.

 

Vasbeton szerkezetek járulékos védelme szénhidrogéntűz ellen

Az elektromos autók okozta tűz jelenségét és a vasbeton szerkezetek viselkedésének problémakörét megismerve láthatjuk, hogy az általános tűzvédelmi termékeknél még speciálisabb hőszigetelési igényre van szükség elektromos autók tárolása esetén. Ennek megfelelően az ilyen garázsok védelemére alkalmas termékek is másfélék, mint az általánosan cellulóz tűzgörbére validált anyagok. Vasbeton szerkezetek esetében az amerikai ASTM szabványsorozat E1529 része ad útmutatást a szénhidrogén tócsatűz elleni viselkedés vizsgálatában. Bár maga a szabvány nem ad meg tönkremeneteli kritériumokat, mint például elérhető maximális szerkezeti hőmérséklet, így az eredmények alkalmazása gondos mérnöki értékelést igényel.

6. ábra szénhidrogén tüzek összehasonlító grafikonja: RWS, HC és HCM; [2]

A Tecwool 825 tűzvédelmi habarcs, amely acélszerkezetek szénhidrogéntűz elleni védelmére alkalmas, alagútban való alkalmazása miatt vizsgálva lett betonfödém védelmére is. A holland Efectis vizsgálóintézetben végzett födémteszben 150 mm vastag és C30/37 anyagminőségű szerkezet 1,50×1,50 méteres támaszközzel lett beépítve (5. ábra), amely 23,8 és 50,5 mm vastag habarcsbevonatot kapott, mint minimum és maximum vastagság és a kettő között az interpoláció megengedett.

A vizsgálat közben a felfűtést kétféle alagúttűzgörbe alapján  végezték, az RWS, Rijkswaterstaat és a HCM, azaz a módosított szénhidrogéntűz alapján. Mindkét tűzgörbét kifejezetten üzemanyagot szállító autó alagútban keletkező tüzéről modellezték. Az RWS görbe a holland Közlekedési Minisztérium és a TNO/ Efectis vizsgálóintézet által kifejlesztett tűzgörbe, amely egy 50 m3-es üzemanyagtartály égését modellezi nagyjából 300 MW égéshővel 90–120 perces időtartamban, amely egy kifejezetten magas hőterhelés. A 6. ábra tartalmazza a grafikus összehasonlítását a fent említett tűzgörbéknek, amelyeken jól látszik, hogy milyen mértékben magasabb hőmérsékletekkel terheli az alagúttűz a szerkezeteket az általános szénhidrogén- és főleg a szabványos ISO834 tűzgörbével összevetve. Míg a szénhidrogén görbe 10 perc elteltével 1100 °C-ot ér el és aztán ezt konstans tartja, addig a módosított szénhidrogén-tűzgörbe (HCM) ugyanennyi idő alatt 1300°C-on tetőzik.

A vizsgálat közben a beton felületén elhelyezett hőelemekkel mérték a hőszigetelés alatti hőmérsékletet, amelynek céljául mérnöki megfontolásból azt tűzték ki, hogy 380 °C alatt maradjon felület a kétórás vizsgálat alatt. Ez a 120 perces védelem esetében 28 mm-es habarcsvastagságnál volt biztosítva a mért hőmérsékletek és az alkalmazott védelmi vastagságok interpolálásával.

Födémleválás elektromos autó tüzénél

 

Összefoglalás, konklúzió

Az energiafelhasználás és az autóipar fejlődésével a hétköznapi eszközeink is megváltoznak, így ezzel összefüggésben az eddig általánosnak mondott veszélyforrások és hatásaik is változnak, ami az ellenük való védekezésben is megmutatkozik. Így az elektromos autók töltésével és tárolásával összefüggő helyiségek tűzvédelmi koncepciója is eltérő elveken kell, hogy alapuljon, mivel az általuk generált tűz sokkal gyorsabb felfutású és jóval magasabb hőterhelésű, mint a cellulóz alapú ISO834 tűzgörbe esetén, tehát a szénhidrogén-tűzgörbékkel leírhatóak a mérnöki megegyezés szerint. A vasbeton szerkezetek esetében a bennük lévő fizikailag kötött víz és a hirtelen hőmérséklet növekedés miatt a réteges betonleválás veszélye jelentősen növekszik. Ennek védelmére emelkedett hőszigetelő képességre van szükség, amit jelenleg EN vizsgálati szabvány nem kezel. A vasbeton szerkezetek vizsgálata esetében ASTM szabványsorozat E1529 része foglalkozik a módszerrel, de pontos megfelelési kritérium megfogalmazását nem tartalmazza. Mivel a beton szerkezetének jelentős szilárdságvesztése 500 °C környékén alakul ki, ezért ezt semmiképpen nem érheti el a felmelegedett felület. Viszont a „spalling” veszély miatt a Tecwool 825 vizsgálatakor is jelentősen szigorúbb hőmérsékletkorlátot szabott az intézet, ami 380 °C, ami a réteges leválás veszélyzónájában található hőmérséklet.

Ezzel a vizsgálattal és megfelelően értékelt eredményeivel viszont biztonsággal védhetőek azok a terek, tűzszakaszok, amelyek az elektromos autók tűzveszélye által érintettek és tervezési követelményük ezt a típusú tűzállóságot írja elő.

 

 

Irodalomjegyzék

1. Czoboly Olivér Attila – Majorosné Dr. Lublóy Éva: Vasbeton szerkezetek tűzállósága https://vedelem.hu/letoltes/anyagok/-vasbeton-szerkezetek-tuzallosaga.pdf
2. www.promat.com
3. 2010-Efectis-R0531 report: Determination of the thermal behaviour of a concrete slab protected with Tecresa Tecwool 825 mortar, exposed to the RWS fire curve during 180 minutes
4. MEK és MMK Tűzvédelmi tanulmány 2022.12.14., Farkas Flóra, Szikra Csaba, Dr. Takács Lajos Gábor: Elektromos járművek tárolásának és töltésének tűzvédelme

 

Szakál Regina kereskedelmi igazgató, tartószerkezeti tervező, tűzvédelmi szakmérnök
MCR Dunamenti Zrt.
[email protected]
web: www.dunamenti.hu