Projekt okładki: Ireneusz Gawliński

Ilustracja na okładce: Andrei Iakovlev/123RF

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Irena Puchalska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Recenzenci: Prof. dr hab. inż. Marian Abramowicz, em. prof. zw. PW i SGSP
St. bryg. dr hab. inż. Zoja Bednarek, em. prof. SGSP

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Karol Ossowski/Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20379-5

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Wykaz oznaczeń

1. Wprowadzenie

2. Bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji

2.1. Podstawy formalno-prawne

2.2. Pożar w budynku

2.2.1. Powstawanie, rozwój i przebieg pożaru

2.2.2. Normowe zależności czas–temperatura

2.2.3. Zaawansowane normowe modele pożaru

2.2.4. Modelowanie rzeczywistego przebiegu pożaru

2.3. Odporność ogniowa konstrukcji

2.3.1. Istota pojęcia odporność ogniowa, stawiane wymagania

2.3.2. Określenie odporności ogniowej na podstawie badań

2.3.3. Określenie odporności ogniowej na podstawie wymagań eurokodów

3. Pożar jako wyjątkowa sytuacja projektowa

3.1. Istota rozpatrywania pożaru jako wyjątkowej sytuacji projektowej, etapy analizy

3.2. Scenariusz pożarowy

3.3. Oddziaływania mechaniczne w sytuacji pożaru

3.4. Temperatura w przekrojach elementów narażonych na warunki pożarowe

4. Wpływ wysokiej temperatury na właściwości mechaniczne stali zbrojeniowej

4.1. Model normowy

4.2. Odkształcenia zbrojenia w temperaturze pożarowej, wykorzystanie modelu normowego do zaawansowanych analiz konstrukcji

4.3. Wykorzystanie modelu normowego do obliczeń prowadzonych metodami uproszczonymi

4.4. Model normowy w świetle wyników badań i innych wymagań

5. Wpływ wysokiej temperatury na beton

5.1. Badania betonu w wysokiej temperaturze

5.2. Cechy mechaniczne ogrzewanego betonu w ujęciu normowym

5.3. Przemiany zachodzące w betonie pod wpływem działania wysokiej temperatury

5.4. Wpływ wytrzymałości betonu na jego reakcję na działanie wysokiej temperatury

5.5. Wpływ rodzaju kruszywa i cementu

5.6. Odpryskiwanie termiczne betonu

5.7. Odkształcalność betonu w warunkach pożarowych

5.8. Wytrzymałość ogrzewanego betonu po ochłodzeniu

5.9. Wpływ naprężeń ściskających występujących w ogrzewanym betonie

5.10. Zmniejszenie wytrzymałości ogrzewanego betonu wg zaleceń amerykańskich

6. Uproszczone metody obliczania nośności elementów żelbetowych

6.1. Uwagi ogólne

6.2. Metoda Izotermy 500°C

6.2.1. Założenia

6.2.2. Określenie położenia izotermy 500°C i temperatury zbrojenia

6.2.3. Określenie nośności przekroju zredukowanego

6.3. Pozostałe, uproszczone metody obliczeń

6.3.1. Metoda Strefowa

6.3.2. Uproszczone metody obliczeń elementów ścinanych i skręcanych

6.3.3. Uproszczona metoda obliczeń belek i płyt

7. Zapewnienie odporności ogniowej elementów zginanych

7.1. Projektowanie przy wykorzystaniu tablic

7.1.1. Podstawowe założenia i zakres stosowania tablic podanych w eurokodzie

7.1.2. Płyty

7.1.3. Belki

7.1.4. Tablice podane w normie amerykańskiej

7.2. Obliczenie nośności przekroju elementów zginanych metodą Izotermy 500°C

7.2.1. Równania równowagi przekroju

7.2.2. Graniczna wysokość strefy ściskanej przekroju

7.2.3. Odległość osiowa zbrojenia, jaką należy przyjąć do obliczeń

7.3. Przykłady obliczeń nośności ogniowej elementów zginanych

7.3.1. Uwagi ogólne

7.3.2. Płyta jednoprzęsłowa ogrzewana od strony strefy rozciąganej

7.3.3. Płyta wspornikowa ogrzewana od spodu (od strony strefy ściskanej)

7.3.4. Stosunkowo słabo zbrojona belka żelbetowa ogrzewana od strony strefy rozciąganej

7.3.5. Belka wspornikowa ogrzewana od spodu (od strony strefy ściskanej)

7.3.6. Belka wspornikowa wg punktu 7.3.5 – obliczenia metodą Strefową

7.3.7. Intensywnie zbrojona belka żelbetowa ogrzewana ze wszystkich stron

7.3.8. Obliczenia belki wg punktu 7.3.7 przy założeniu, że ogrzewane jest tylko zbrojenie

7.3.9. Belka dwuprzęsłowa

7.4. Reakcja elementów zginanych na warunki pożarowe w świetle wyników badań

7.4.1. Uwagi ogólne

7.4.2. Zmniejszenie nośności elementów

7.4.3. Deformacje elementów i zmiany ich sztywności

7.5. Wskazówki do prowadzenia zaawansowanych analiz konstrukcji statycznie niewyznaczalnych

8. Zapewnienie odporności ogniowej elementów ściskanych

8.1. Projektowanie przy wykorzystaniu tablic

8.1.1. Podstawowe założenia

8.1.2. Metody podane w tekście eurokodu

8.1.3. Prognozowanie nośności ogniowej słupów z uwzględnieniem efektów drugiego rzędu wg eurokodu

8.1.4. Wymagania stawiane w przepisach amerykańskich

8.2. Obliczenia nośności słupów metodą Izotermy 500°C

8.2.1. Założenia i równania równowagi przekroju

8.2.2. Dodatkowe problemy mogące powstać podczas określenia nośności elementów ściskanych narażonych na warunki pożarowe

8.3. Przykłady obliczeń nośności ogniowej elementów ściskanych

8.3.1. Uwagi ogólne

8.3.2. Przekrój słupa ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi

8.3.3. Przekrój słupa ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną poza przekrojem

8.3.4. Przekrój słupa ogrzewanego od strony zbrojenia mniej ściskanego, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi

8.3.5. Przekrój słupa ogrzewanego od strony zbrojenia bardziej ściskanego, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi

8.3.6. Uproszczona analiza wpływu efektów drugiego rzędu na słup narażony na warunki pożarowe, przeprowadzona na podstawie połączenia założeń metody Izotermy 500°C z założeniami metody Nominalnej sztywności

8.3.7. Uproszczona analiza wpływu efektów drugiego rzędu na słup narażony na warunki pożarowe przeprowadzona na podstawie połączenia założeń metody Izotermy 500°C z założeniami metody Nominalnej krzywizny

8.3.8. Przekrój słupa o większych wymiarach przekroju, ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi

8.3.9. Przekrój słupa o dużych wymiarach przekroju, ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi

8.4. Wyniki przykładowych obliczeń w świetle Wymagań tabelarycznych i wyników badań

8.4.1. Obliczenia nośności przekroju słupa o wymiarach 30 × 30 cm

8.4.2. Obliczenia z uwzględnieniem wpływu efektów drugiego rzędu wg eurokodów

8.4.3. Wpływ wymiarów przekroju słupa na wynik obliczeń jego nośności ogniowej

8.4.4. Wyniki obliczeń w świetle Wymagań tabelarycznych uwzględniających wyboczenie

8.4.5. Badania eksperymentalne nośności ogniowej słupów

8.5. Uwagi końcowe

9. Nośność ogniowa strefy przypodporowej

9.1 Ścinanie

9.1.1. Uwagi ogólne

9.1.2. Przykład obliczenia nośności ogniowej na ścinanie belki swobodnie podpartej ogrzewanej od spodu

9.1.3. Przykład obliczenia nośności ogniowej na ścinanie belki wspornikowej ogrzewanej od spodu

9.2. Przebicie

9.2.1. Wymagania normowe

9.2.2. Nośność ogniowa na przebicie w świetle doświadczeń praktycznych, wyników badań i obliczeń

9.2.3. Zapewnienie nośności ogniowej na przebicie przy długim czasie pożaru

9.2.4 Obliczeniowa ocena nośności na przebicie w warunkach pożarowych metodami uproszczonymi

Literatura

Przypisy

1

Wykaz oznaczeń

Duże litery łacińskie

As - przekrój zbrojenia

As1 - przekrój zbrojenia rozciąganego w elemencie zginanym lub przekrój zbrojenia mniej ściskanego w elemencie ściskanym

As2 - przekrój zbrojenia ściskanego w elemencie zginanym lub przekrój zbrojenia bardziej ściskanego w elemencie ściskanym

Ac - przekrój betonu

Cd - wartość obliczeniowa kryterium użytkowalności w zwykłych warunkach (w przypadku konstrukcji żelbetowych najczęściej jest to kryterium ugięcia, a rzadziej szerokości rozwarcia rys)

E - szczelność ogniowa

E - moduł sprężystości (Younga)

Ec - moduł sprężystości betonu

Ed - wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (obciążeń) w zwykłych warunkach

Ed,fi - wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (obciążeń) w wyjątkowej sytuacji projektowej (obliczeniowej) pożaru

Es - moduł sprężystości stali zbrojeniowej

Es,θ - moduł sprężystości stali zbrojeniowej w temperaturze θ

Gk - wartość charakterystyczna oddziaływania stałego

Gk,j - wartość charakterystyczna j-tego oddziaływania stałego

I - izolacyjność ogniowa

J - moment bezwładności przekroju

MRd,fi - nośność przekroju zginanego w wyjątkowej sytuacji projektowej (obliczeniowej) pożaru

MES - metoda elementów skończonych

Qk - wartość charakterystyczna oddziaływania zmiennego

Qk,1 - wartość charakterystyczna dominującego oddziaływania zmiennego

Qk,i - wartość charakterystyczna i-tego (towarzyszącego) oddziaływania zmiennego

R - nośność ogniowa

Rd - nośność obliczeniowa w zwykłych warunkach

Rd,fi - nośność obliczeniowa w wyjątkowej sytuacji projektowej (obliczeniowej) pożaru

Małe litery łacińskie

a - odległość środka ciężkości przekroju zbrojenia od krawędzi przekroju elementu (tzw. odległość osiowa)

az,500 - odległość izotermy 500°C od krawędzi przekroju elementu

azb - odległość izotermy 500°C od bocznej krawędzi przekroju elementu mierzona wzdłuż szerokości przekroju (poziomo)

azh - odległość izotermy 500°C od poziomej (górnej lub dolnej) krawędzi przekroju elementu mierzona wzdłuż wysokości przekroju (pionowo)

b - szerokość przekroju elementu

bfi - szerokość przekroju elementu przyjmowana do analizy z uwagi na warunki pożarowe

d - użyteczna wysokość przekroju

dfi - użyteczna wysokość przekroju przyjmowana do analizy z uwagi na warunki pożarowe

e - mimośród siły podłużnej

fcd - wytrzymałość obliczeniowa betonu na ściskanie

fck - wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie

fc,θ - wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie w temperaturze θ

fsp,θ - granica proporcjonalności stali zbrojeniowej w temperaturze θ

fsy,θ - granica plastyczności stali zbrojeniowej w temperaturze θ

fyd - obliczeniowa granica plastyczności stali

fyk - charakterystyczna granica plastyczności stali

h - wysokość przekroju elementu (wysokość belki lub grubość płyty)

hfi - wysokość przekroju elementu przyjmowana do analizy z uwagi na warunki pożarowe

i - promień bezwładności przekroju

kc,θ - współczynnik określający zmniejszenie wytrzymałości betonu na ściskanie w zależności od temperatury

ks,θ - współczynnik określający zmniejszenie granicy plastyczności (wytrzymałości) stali w zależności od temperatury lub stosunek naprężeń do fyk

l_0 - długość efektywna (wyboczeniowa) słupa w zwykłych warunkach

l0, fi - długość efektywna (wyboczeniowa) słupa w warunkach pożarowych

leff - rozpiętość efektywna elementu zginanego

qf,d - obliczeniowa gęstość obciążenia ogniowego odniesiona do pola powierzchni podłogi

t - czas trwania pożaru

tkr - krytyczny czas trwania pożaru (odpowiadający wystąpieniu obliczeniowego stanu granicznego nośności)

tR,wym - czas trwania pożaru równy wymaganej odporności ogniowej

x - wysokość strefy ściskanej przekroju

xfi - wysokość strefy ściskanej przekroju w sytuacji pożaru

xeff - efektywna wysokość strefy ściskanej przekroju

xeff,fi - efektywna wysokość strefy ściskanej przekroju w sytuacji pożaru

xeff,lim - wartość graniczna efektywnej wysokości strefy ściskanej przekroju zginanego

xeff,lim,fi - wartość graniczna efektywnej wysokości strefy ściskanej przekroju zginanego w sytuacji pożaru

Duże litery greckie

θ - temperatura

θg - temperatura gazu w strefie ogarniętej pożarem, wyrażona w °C

θkr - temperatura krytyczna (odpowiadająca osiągnięciu obliczeniowego stanu granicznego nośności)

θm - temperatura powierzchni elementu, wyrażona w °C

θnar - temperatura prętów usytuowanych w narożach przekroju

θśr - temperatura prętów usytuowanych w środkowej części przekroju (tzn. wszystkich prętów usytuowanych nie w narożach)

Małe litery greckie

γC - częściowy współczynnik bezpieczeństwa dotyczący betonu

γG - częściowy współczynnik bezpieczeństwa dotyczący obciążeń stałych

γQ - częściowy współczynnik bezpieczeństwa dotyczący obciążeń zmiennych

γS - częściowy współczynnik bezpieczeństwa dotyczący stali

ε - odkształcenie

εc - odkształcenie skrajnego włókna strefy ściskanej betonu

εc1,θ - odkształcenie betonu odpowiadające osiągnięciu wytrzymałości fc,θ

εcu1,θ - maksymalne odkształcenie betonu w temperaturze θ

εs - odkształcenie na poziomie zbrojenia rozciąganego w przekroju (odkształcenie zbrojenia)

εsp,θ - odkształcenie odpowiadające osiągnięciu przez stal zbrojeniową granicy proporcjonalności w temperaturze θ

εst,θ - odkształcenie (maksymalne) odpowiadające osiągnięciu przez stal zbrojeniową wytrzymałości na rozciąganie w temperaturze θ

εsy,θ - odkształcenie (minimalne) odpowiadające osiągnięciu przez stal zbrojeniową granicy plastyczności w temperaturze θ

εsu,θ - maksymalne odkształcenie rozciąganej stali zbrojeniowej w temperaturze θ

ηfi - współczynnik redukcyjny wyrażający stosunek efektu oddziaływań (obciążenia w wyjątkowej sytuacji projektowej (obliczeniowej) pożaru do efektu oddziaływań (obciążenia) w trwałej sytuacji projektowej

ξeff - względna wysokość strefy ściskanej przekroju (ξeff = xeff /d)

ξ - współczynnik o wartości równej 0,85, wg [N19]

ξeff,fi - względna wysokość strefy ściskanej przekroju w sytuacji pożaru (ξeff,fi = (xfi + azh)/d)

ξeff,lim - wartość graniczna względnej efektywnej wysokości strefy ściskanej przekroju zginanego

ξeff,lim,fi - wartość graniczna względnej efektywnej wysokości strefy ściskanej przekroju zginanego w sytuacji pożaru

σ - naprężenie

ψ_0 - współczynnik stosowany do wartości kombinacyjnej oddziaływań zmiennych

ψ0,1 - współczynnik stosowany do wartości kombinacyjnej dominującego oddziaływania zmiennego

ψ0,i - współczynnik stosowany do wartości kombinacyjnej i-tego (towarzyszącego) oddziaływania zmiennego

ψ_1 - współczynnik stosowany do wartości częstej oddziaływań zmiennych

ψ1,1 - współczynnik stosowany do wartości częstej dominującego oddziaływania zmiennego

ψ_2 - współczynnik stosowany do wartości prawie stałej oddziaływań zmiennych

ψ2,1 - współczynnik stosowany do wartości prawie stałej dominującego oddziaływania zmiennego

ψ2,i - współczynnik stosowany do wartości prawie stałej i-tego (towarzyszącego) oddziaływania zmiennego

ρ - stopień zbrojenia (ρ = As/(bd))

1

Wprowadzenie

W Polsce ochrona przeciwpożarowa jest integralną częścią budownictwa, a działania mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa pożarowego są prowadzone na etapie projektowania i realizacji nowych obiektów budowlanych oraz podczas eksploatacji już istniejących. Znaczny wzrost troski o zagwarantowanie wszelkiego rodzaju bezpieczeństwa ludzi i zabezpieczenie mienia wystąpił w Polsce na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX w., kiedy to nasz kraj, po zmianach ustrojowych, rozpoczął proces integracji z państwami wysoko rozwiniętymi. To właśnie wtedy zaczęły intensywnie przenikać do Polski z zachodu nowoczesne trendy inżynierii bezpieczeństwa pożarowego.

Symptomy zwiększonego zainteresowania środowiska budowlanego problematyką pożarów wystąpiły jednak w Polsce znacznie wcześniej. Już na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX w. w Instytucie Techniki Budowlanej prowadzono badania wpływu wysokiej temperatury na cechy mechaniczne stali budowlanych [186–188]. W latach osiemdziesiątych opublikowano tam kolejne prace na temat bezpieczeństwa pożarowego, np. [123, 125, 128, 130, 131, 133]. Badania prowadzono też w innych ośrodkach [166]. Kamieniem milowym w obszarze zapewnienia odporności ogniowej konstrukcji budowlanych była wydana w 1988 r. monografia M. Kosiorka i współautorów [129]. Pod koniec lat osiemdziesiątych w Szkole Głównej Służby Pożarniczej rozpoczęto badania wpływu wysokiej temperatury na materiały budowlane, czego efektem były m.in. prace Z. Bednarek [25, 26, 32, 33]. W latach dziewięćdziesiątych, dzięki aktywności M. Abramowicza, znacznie poszerzono program nauczania budownictwa w Szkole Głównej Służby Pożarniczej, a na początku XXI w. do programu kształcenia na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej wprowadzono przedmiot Bezpieczeństwo pożarowe. Obecnie jest on wykładany na wielu wydziałach budowlanych polskich uczelni.

Mimo stałego wzrostu zainteresowania problematyką bezpieczeństwa pożarowego zapewnienie ochrony przeciwpożarowej obiektów budowlanych nadal polega na spełnianiu wymagań przepisów, a wiedza wielu inżynierów budownictwa na temat wpływu pożaru na konstrukcje budowlane jest niepełna.

Od czasu wprowadzenia zestawu norm do projektowania konstrukcji oznaczonych symbolem PN-EN (tzw. eurokodów), w którym oddzielne (drugie) części są poświęcone projektowaniu różnego rodzaju konstrukcji z uwzględnieniem warunków pożarowych, możliwości projektowania w tym zakresie znacznie się poszerzyły. Z przykrością należy jednak zauważyć, że o ile można już mówić o szerokim upowszechnieniu się eurokodów w środowisku naukowym i eksperckim budownictwa, o tyle w mniejszych jednostkach projektowych normy te, a w szczególności ich części dotyczące projektowania z uwzględnieniem warunków pożarowych, nie są jeszcze powszechnie wykorzystywane.

Mogłoby się wydawać, że wysoki poziom troski o wyeliminowanie wszelkiego rodzaju zagrożeń bezpieczeństwa ludzi i mienia w obiektach budowlanych, w tym również zagrożeń powodowanych pożarem, oraz wzrost nakładów przeznaczanych na różnego rodzaju zabezpieczenia powinny spowodować wyeliminowanie możliwości wystąpienia dużych, tragicznych pożarów. Niedawno jednak okazało się, że nie jest to takie proste. W pożarze budynku Grenfell Tower w Londynie, w czerwcu 2017 r. straciły życie 72 osoby. A przed tym pożarem można było mieć pewność, że w wysoko rozwiniętej Wielkiej Brytanii, w której badania wpływu warunków pożarowych na obiekty budowlane były prowadzone na niespotykanie szeroką skalę (np. Cardington fire tests [152]), tak tragiczne zdarzenie nie jest już możliwe.

Pożary zatem były, są i najprawdopodobniej zawsze będą się zdarzały. Jest to m.in. spowodowane tym, że coraz większe wyzwania stawiane wznoszonym lub modernizowanym obiektom budowlanym, jak również przyspieszenie budownictwa, często połączone z nadmiernym (wręcz drapieżnym) dążeniem do minimalizowania kosztów, powodują występowanie nowych, trudnych do przewidzenia zagrożeń. Należy się zatem spodziewać, że projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe nadal będzie nabierać coraz większego znaczenia.

Czynności mające na celu zapewnienie ochrony przeciwpożarowej obiektów budowlanych można podzielić na tzw. ochronę czynną i bierną. Pierwsza jest domeną rzeczoznawców ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych oraz inżynierów różnego rodzaju instalacji. Inżynierowie budownictwa, jak również architekci, mogą swoimi działaniami przyczynić się jedynie do zapewnienia biernej ochrony przeciwpożarowej. W praktyce sprowadza się to do wypracowania takich rozwiązań, aby w przypadku pożaru, bez podjęcia jakichkolwiek bieżących działań, elementy budowlane spełniły stawiane im zadania w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa ludzi i ograniczenia strat materialnych.

Z punktu widzenia projektantów konstrukcji zagwarantowanie jej bezpieczeństwa na odpowiednim poziomie, w całym przewidywanym czasie eksploatacji, jest zadaniem bezwzględnie najważniejszym, podstawowym. Warto jednak zauważyć, że rzeczywista weryfikacja konstrukcji z uwagi na oddziaływania spowodowane grawitacją odbywa się praktycznie zawsze. Rzeczywiste sprawdzenie przygotowania konstrukcji na wypadek pożaru w większości przypadków może natomiast nigdy nie nastąpić. Jeżeli jednak dojdzie do pożaru, to jest już wtedy zbyt późno na podejmowanie jakichkolwiek działań biernej ochrony przeciwpożarowej. Projektanci zazwyczaj dopiero po pożarze dowiadują się, jak zareagował na to zjawisko zaprojektowany przez nich obiekt.

Konstrukcje żelbetowe charakteryzują się bardzo dobrą naturalną odpornością na działanie wysokiej temperatury, o wiele lepszą niż konstrukcje wykonane z innych materiałów. Niezabezpieczone konstrukcje metalowe przeważnie ulegają zniszczeniu po zaledwie kilkunastu minutach rozwiniętego pożaru. Niezabezpieczone konstrukcje drewniane mogą zazwyczaj przetrwać do ok. 30 minut. Konstrukcja żelbetowa, nawet jeżeli podczas jej projektowania w ogóle nie brano by pod uwagę odporności na warunki pożarowe, i tak jest w stanie zachować swoją nośność przez przynajmniej 60 minut rozwiniętego pożaru [119].

W wielu przypadkach czas potrzebny do zapewnienia bezpieczeństwa ludzi podczas pożaru lub opanowania tego zjawiska może być jednak znacznie dłuższy. Ponadto w świadomości zwykłego użytkownika obiektów budowlanych (nie inżyniera) beton jest zazwyczaj traktowany jako materiał wyjątkowo bezpieczny, wykluczający jakiekolwiek zagrożenia pożarowe. Między innymi dlatego projektowanie konstrukcji żelbetowych z uwagi na warunki pożarowe może być nawet ważniejsze od projektowania konstrukcji wykonanych z materiałów mniej odpornych na działanie wysokiej temperatury.

Zasadniczym celem autora było spójne przedstawienie wiedzy wystarczającej do efektywnego projektowania konstrukcji żelbetowych z uwagi na warunki pożarowe, metodami opartymi na rozpatrywaniu pożaru jako wyjątkowej sytuacji projektowej. Projektowanie konstrukcji „na pożar” jest jednak obarczone znacznie większą niepewnością niż projektowanie „na zwykłe warunki”. Aby zatem projektowanie „na pożar” było w pełni świadome, należy mieć jak najszerszą wiedzę na temat możliwego przebiegu tego zjawiska i jego oddziaływania na elementy konstrukcyjne, wpływu wysokiej temperatury na pogorszenie właściwości mechanicznych betonu i stali oraz zjawisk zachodzących w betonie konstrukcji narażonych na warunki pożarowe. Znaczną część książki poświęcono omówieniu tych zagadnień. W zamierzeniu autora jej podstawowymi odbiorcami powinni być projektanci konstrukcji budowlanych, przedstawiciele środowiska naukowego budownictwa oraz studenci tego kierunku. Autor wyraża nadzieje, że podana wiedza okaże się dla nich przydatna i książka okaże się dobrą pomocą do efektywnego projektowania lub innych analiz nowoczesnych konstrukcji żelbetowych z uwagi na warunki pożarowe. Ponadto praca, przynajmniej jej fragmenty, może być również ciekawa i przyczynić się do poszerzenia przydatnej wiedzy dla przedstawicieli innych specjalności: inżynierów budownictwa zajmujących się realizacją lub planowaniem inwestycji, rzeczoznawców ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych, strażaków, inżynierów instalacji, osób pełniących w budownictwie funkcje urzędnicze lub administracyjne oraz architektów.

2

Bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji

2.1. Podstawy formalno-prawne

Obecnie, w Polsce i w Europie, spośród siedmiu podstawowych wymagań stawianych obiektom budowlanym [P5, P2, P1] na drugim miejscu, zaraz po bezpieczeństwie konstrukcji, jest wymienione bezpieczeństwo pożarowe. W celu zagwarantowania tego bezpieczeństwa obiekty budowlane powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby w przypadku pożaru [P2]:

1. nośność konstrukcji została zachowana przez określony czas,

2. powstawanie i rozprzestrzenianie się ognia i dymu w obiektach było ograniczone,

3. rozprzestrzenianie się ognia na sąsiednie obiekty było ograniczone,

4. osoby znajdujące się wewnątrz mogły opuścić obiekt lub być uratowane w inny sposób,

5. było uwzględnione bezpieczeństwo ekip ratowniczych.

Powyższe wymagania sformułowano blisko ćwierć wieku temu w Dyrektywie Rady Wspólnot Europejskich [P1]. Kilka lat później wprowadzono je do polskiego rozporządzenia [P6], a w 2011 r. w praktycznie niezmienionej formie zostały one potwierdzone w Rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego [P2]. Od listopada 2017 r., po znowelizowaniu polskiego rozporządzenia [P6] (nowelizacja Dz.U. 2017, poz. 2285), podane w nim wymagania są praktycznie tożsame z zapisanymi w [P1, P2].

W przypadku wystąpienia pożaru w obiekcie budowlanym rzeczywiście spełniającym wszystkie podane wyżej wymagania nie powinno być ofiar w ludziach, a straty materialne powinny być ograniczone. Dlatego zasadnicze wymagania stawiane aktualnie obiektom budowlanym w zakresie zapewnienia ich bezpieczeństwa w przypadku wystąpienia pożaru można uznać za kompletne. Zastanawiać może jeszcze tylko to, czy w wysoko rozwiniętej i bogatej Unii Europejskiej nie byłoby zasadne rozważenie wprowadzenia bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących wczesnego ostrzegania o powstaniu pożaru we wszystkich obiektach, w których mogą spać ludzie.

Zgodnie z Ustawą o ochronie przeciwpożarowej [P3] zabezpieczenie obiektu budowlanego przed zagrożeniem pożarowym spoczywa na właścicielu, zarządcy lub użytkowniku. Czynności związane z zapewnieniem ochrony przeciwpożarowej nowo wznoszonych obiektów są natomiast wykonywane przez uczestników procesu budowlanego: głównego projektanta, którym najczęściej jest architekt, projektanta konstrukcji, projektantów różnego rodzaju instalacji oraz przedstawicieli realizatora i wykonawcy inwestycji. W praktyce wiodącą rolę w zapewnieniu ochrony przeciwpożarowej obiektów budowlanych odgrywają jednak rzeczoznawcy ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych i przedstawiciele Państwowej Straży Pożarnej mający stosowne przygotowanie merytoryczne.

Przed przystąpieniem do omówienia przygotowania nowego obiektu budowlanego na wypadek pożaru na etapie projektowania trzeba jeszcze zwrócić uwagę, że – zgodnie z ustawą [P5] – w celu uzyskania pozwolenia na użytkowanie obiektu, co jest wymagane w stosunku do nawet średnio skomplikowanych inwestycji, inwestor jest zobowiązany do zawiadomienia o zakończeniu budowy Państwową Straż Pożarną. Jej przedstawiciele przeprowadzają wtedy odbiór końcowy obiektu [P4, P8], w ramach którego jest sprawdzana zgodność rzeczywiście zastosowanych rozwiązań z wymaganiami przepisów ochrony przeciwpożarowej. W praktyce zdarza się, że po przeprowadzeniu takiego odbioru są stawiane wymagania, aby pewne elementy obiektu zostały poprawione lub nawet istotnie zmienione, niezależnie od tego, że zastosowane rozwiązania na etapie projektowania zostały zaakceptowane przez rzeczoznawcę ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych opiniującego projekt budowlany. Należy zatem przestrzec, że w praktyce to nie pozytywne zaopiniowanie projektu budowlanego przez rzeczoznawcę ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych, lecz rzeczywista ocena zgodności zastosowanych rozwiązań z wymaganiami przepisów ochrony przeciwpożarowej dokonana przez przedstawicieli Państwowej Straży Pożarnej decyduje o dopuszczeniu obiektu budowlanego do użytkowania. Problemy odbiorowe rzadko jednak bezpośrednio dotyczą projektantów konstrukcji, ponieważ przedstawiciele Państwowej Straży Pożarnej prowadzący odbiory obiektów budowlanych są zazwyczaj skoncentrowani na spełnieniu wymagań przepisów i w związku z tym nie wnikają szczegółowo w zagadnienia zapewnienia nośności konstrukcji lub jej elementów z uwagi na warunki pożarowe.

W świetle polskich przepisów [P9, P7] przygotowanie nowego obiektu na wypadek pożaru jest realizowane na etapie projektowania, w wyniku uzgodnienia projektu budowlanego pod względem ochrony przeciwpożarowej [P7]. Za przeprowadzenie tej czynności jest odpowiedzialny rzeczoznawca ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych, mający przygotowanie zawodowe potwierdzone stosownym certyfikatem. Zgodnie z zapisami rozporządzenia [P7] podstawę uzgodnienia mają jednak stanowić dane przedstawione w projekcie budowlanym, określone przez projektanta. Funkcja rzeczoznawcy, który uzgodnienie projektu… potwierdza przez ostemplowanie i podpisanie projektu została zatem, wg [P7], sprowadzona do roli biernego arbitra. Praktyka projektowa wymusiła jednak inne postępowanie. Obecnie, podczas projektowania nawet średnio skomplikowanych obiektów budowlanych rzeczoznawca ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych zwykle bierze aktywny udział w projektowaniu z uwagi na ochronę przeciwpożarową, a często nawet przejmuje od głównego projektanta wiodącą rolę w tym obszarze.

Platformą bazową stanowiącą w praktyce podstawę do zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpożarowego obiektów budowlanych podczas ich projektowania jest w Polsce Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [P6]. Na podstawie podanych tam (jak również innych) przepisów rzeczoznawca ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych wspólnie z głównym projektantem obiektu powinni doprowadzić do zastosowania takich rozwiązań, aby obiekt spełniał ostatnie cztery z pięciu wymagań podanych na początku tego rozdziału, zgodnie z którymi muszą być wykonane i zaprojektowane obiekty budowlane [P2, P6]. W tym celu, m.in., jest konieczne:

- odpowiednie zaprojektowanie usytuowania obiektu,

- doprowadzenie do niego odpowiednich dróg dojazdowych,

- podzielenie obiektu na strefy pożarowe i zapewnienie odpowiedniego oddzielenia tych stref,

- zaprojektowanie dróg ewakuacji ludzi z wnętrza obiektu,

- przyjęcie odpowiednich (bezpiecznych) rozwiązań materiałowych,

- odpowiednie zaprojektowanie różnego rodzaju instalacji oraz wyposażenia i urządzeń przeciwpożarowych.

W praktyce rozpatrywanie powyższych zagadnień najczęściej odbywa się bez udziału projektanta konstrukcji. Na nim natomiast spoczywa obowiązek zagwarantowania spełnienia pierwszego wymagania [P2, P6], tzn., aby w przypadku pożaru nośność konstrukcji została zachowana przez określony czas. Konstruktor w pewnym stopniu również ma pośredni udział w spełnieniu wymagań 4. i 5., bo trudno przecież wyobrazić sobie zagwarantowanie bezpieczeństwa ludzi w budynku bez zapewnienia bezpieczeństwa jego konstrukcji.

Przed dalszym omówieniem zagadnień zagwarantowania bezpieczeństwa konstrukcji narażonej na warunki pożarowe niezbędne jest jednak przedstawienie podstawowych informacji na temat możliwego rozwoju i przebiegu pożaru w budynkach.

2.2. Pożar w budynku

2.2.1. Powstawanie, rozwój i przebieg pożaru

Według słownika języka polskiego [189] pożar jest to palenie się budynków, lasów; ogień ogarniający dużą przestrzeń. W definicji normowej [N26] nie wymieniono obiektów lub miejsc, które mogą być ogarnięte pożarem, ale za to, co wydaje się ważniejsze z technicznego punktu widzenia, podkreślono nieprzewidywalność i charakter definiowanego zjawiska, podając, że pożar jest to niekontrolowane w czasie i przestrzeni samopodtrzymujące się spalanie [26].

Warunkiem koniecznym do wystąpienia pożaru, a bardziej precyzyjnie, do rozpoczęcia procesu spalania, jest jednoczesna obecność trzech czynników:

- materiału palnego (paliwa);

- tlenu; w zwykłych warunkach stanowi on ok. 21% powietrza i jest niezbędny do zaistnienia procesu spalania, który w uproszczeniu polega na łączeniu się materiału palnego (lub wydzielanych z niego substancji) właśnie z tlenem;

- źródła ciepła; ciepło jest potrzebne do podwyższenia temperatury materiału palnego do takiej wartości, aby mogło rozpocząć się spalanie.

Po zainicjowaniu pożaru (spalania) dalszy jego przebieg może być bardzo różnorodny. Na rysunku 2.1 przedstawiono hipotetyczne wykresy temperatury występującej w pomieszczeniu (miejscu) ogarniętym pożarem w funkcji czasu. Na przykładzie tych wykresów omówiono możliwy rozwój i przebieg pożaru oraz wyodrębniono fazy tego zjawiska. Podobne, choć różniące się szczegółami, hipotetyczne wykresy można też znaleźć w [124, 132, 56, 152, 185]. Należy jednak zastrzec, że podany niżej opis odnosi się w pełni jedynie do pożaru w małym pomieszczeniu. Opis powstawania, rozwoju i przebiegu pożarów przedstawiono również w pracach [37, 57, 129, 171].

Faza rozwoju pożaru zaczyna się od zainicjowania procesu spalania. Może to być spowodowane np. wrzuceniem niezgaszonego niedopałka papierosa do kosza na śmieci, upuszczeniem papierosa na fotel, zapaleniem się zasłony okiennej od świeczki, przewróceniem świeczki na obrus, zapaleniem się materiału przylegającego do instalacji elektrycznej, w której nastąpiło zwarcie, skumulowaniem ciepła wokół żarówki przykrytej np. poduszką, zapaleniem się w kuchni gorącego oleju lub wieloma innymi nieprzewidzianymi zdarzeniami. Bezpośrednio po zainicjowaniu spalania pali się tzw. małe źródło ognia. Jego ugaszenie jest stosunkowo łatwe, a niekiedy może nawet nastąpić samoistnie.

Jeżeli jednak małe źródło ognia nie zostanie ugaszone, wydzielane z niego ciepło może spowodować podwyższenie temperatury jakiegoś przedmiotu lub materiału, wystarczające do tego, aby zaczął się on palić. W tym momencie występuje tzw. palenie się pojedynczego przedmiotu. Może nim być np. fotel, szafka, zasłony okienne, choinka, kosz na śmieci, dywan.

Rys. 2.1. Temperatura występująca w pomieszczeniu ogarniętym pożarem, fazy przebiegu tego zjawiska; gruba krzywa ciągła – wykres temperatury odnoszący się do faz pożaru opisanych na rysunku i omówionych w tekście, krzywe kropkowe – inny możliwy przebieg zmian temperatury, krzywe kreskowe – normowe zależności czas–temperatura: krzywa standardowa i krzywa powolnego nagrzewania (por. rysunek 2.3)

W fazie rozwoju pożaru temperatura nie osiąga dużych wartości, a jego oddziaływanie na konstrukcję budynku jest zazwyczaj nieistotne. Pożar w fazie rozwoju może już jednak stanowić zagrożenie bezpieczeństwa ludzi oraz spowodować znaczne straty materialne wyposażenia budynku. Z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej obiektów budowlanych w fazie rozwoju pożaru największe znaczenie mają zagadnienia:

- ostrzegania o powstaniu pożaru,

- ewakuacji ludzi ze stref ogarniętych pożarem,

- wyeliminowania możliwości zatrucia ludzi produktami spalania (dymem),

- dostępności obiektu lub jego pomieszczeń dla ekip ratowniczo-gaśniczych,

- odpowiedniego przeszkolenia stałych użytkowników obiektu do właściwej reakcji na wypadek pożaru oraz ewentualnego ugaszenia go w zarodku.

Prognozowanie przebiegu pożaru w fazie jego rozwoju ma istotne znaczenie z punktu widzenia projektowania wszelkiego rodzaju urządzeń przeciwpożarowych, np. czujników temperatury lub dymu, instalacji tryskaczowych, klap dymowych, samoczynnie zamykających się przegród. Kluczowym parametrem wykorzystywanym do określenia wzrostu temperatury w początkowej fazie pożaru podczas spalania pojedynczych przedmiotów lub obiektów (np. mebli lub samochodów) jest tzw. wskaźnik wydzielania ciepła, oznaczany jako HRR (ang. heat release rate), wyrażany w jednostkach mocy (np. kW lub MW) [20, 21, 118, 101, 117].

Na rysunku 2.2a [117] przedstawiono teoretyczne (tzn. poglądowe, będące wynikiem obliczeń) wykresy wydzielania ciepła podczas spalania, w różnych warunkach, mebli biurowych o masie 160 kg (obciążenie ogniowe 3200 MJ). Wykresy tego typu są wykorzystywane do prognozowania przebiegu pożaru w fazie jego rozwoju. Początkowy wzrost wydzielania ciepła jest na tych wykresach opisywany w funkcji czasu za pomocą krzywych drugiego stopnia (tzw. t-squared fires; αt^2). Na rysunku 2.2b przedstawiono przykładowe wyniki badań wydzielania ciepła podczas spalania sofy i krzeseł [20].

Rys. 2.2.: a) Wykresy poglądowe (wyniki obliczeń) wydzielania ciepła podczas spalania, w różnych warunkach, mebli biurowych o masie 160 kg (obciążenie ogniowe 3200 MJ), sporządzone na podstawie [117]; b) wyniki badań wydzielania ciepła podczas spalania sofy i krzeseł, sporządzone na podstawie [20]

Rozpatrując fazę rozwoju pożaru (rys. 2.1), trudno jest jednoznacznie określić temperaturę jego środowiska, ponieważ temperatura występująca nad źródłem ognia (płonącym przedmiotem lub obiektem) może być nawet o kilkaset stopni wyższa od temperatury panującej przy podłodze pomieszczenia w pewnej odległości od palących się przedmiotów.

Analiza zagadnień zapewnienia bezpieczeństwa ludzi w fazie rozwoju pożaru, jak również samo modelowanie przebiegu tego zjawiska są domeną inżynierów pożarnictwa, specjalistów od fizyki spalania oraz inżynierów różnego rodzaju instalacji. Problemy te najczęściej nie dotyczą projektantów konstrukcji i nie będą szczegółowo omówione w tej pracy.

Z punktu widzenia oddziaływania warunków pożarowych na konstrukcję obiektu budowlanego bardzo istotną rolę odgrywa to, czy pożar występuje w małym, czy w dużym pomieszczeniu.

W przypadku pożarów w małych, a bardziej precyzyjnie w niewysokich pomieszczeniach gorące produkty spalania gromadzą się pod sufitem, a skumulowane tam ciepło może być przekazywane przez promieniowanie do przedmiotów lub materiałów znajdujących się niżej, przy podłodze. Gdy temperatura znajdujących się tam przedmiotów staje się wystarczająco wysoka, przedmioty te kolejno, w bardzo krótkich odstępach czasu lub nawet jednocześnie się zapalają. Wtedy kończy się faza rozwoju pożaru i występuje tzw. rozgorzenie. Terminem tym jest określane [N21] jednoczesne zapalenie się wszystkich obciążeń ogniowych w strefie lub [N26] przejście do stanu, w którym całkowita powierzchnia palnych materiałów wewnątrz wydzielonej przestrzeni jest objęta ogniem.

Faza rozwoju pożaru może trwać bardzo długo, a w korzystnym przypadku pożar może w tej fazie zostać ugaszony lub nawet zgasnąć samoistnie. Jednak w sytuacji skrajnie niekorzystnej czas upływający od zainicjowania spalania do wystąpienia rozgorzenia może być bardzo krótki i wynosić ok. 2–5 min.

Rozgorzenie występuje zazwyczaj wtedy, kiedy temperatura w pomieszczeniu wynosi ok. 500– 600oC. Po rozgorzeniu następuje dalszy bardzo gwałtowny wzrost temperatury i po krótkim czasie występuje faza tzw. pożaru rozwiniętego. Według [N21] pożar w pełni rozwinięty to stan pełnego ogarnięcia przez ogień w określonej przestrzeni wszystkich palnych materiałów. Podczas pożaru rozwiniętego temperatura może przekraczać nawet 1000oC, a jej wartości w różnych miejscach pomieszczenia są podobne. Różnica między temperaturą panującą pod sufitem a temperaturą przy podłodze zazwyczaj nie przekracza 50–150°C [117]. W pomieszczeniu (strefie), w którym wystąpiło rozgorzenie, jest już za późno na troskę o bezpieczeństwo ludzi, a pożar zaczyna realnie zagrażać bezpieczeństwu konstrukcji.

Przebieg pożaru po rozgorzeniu, jak również temperatura w pomieszczeniu ogarniętym pożarem rozwiniętym zależą od:

- ilości ciepła, które może być wydzielane podczas spalania materiałów znajdujących się w pomieszczeniu (decyduje o tym tzw. obciążenie ogniowe, omówione w dalszej części rozdziału);

- dostępu tlenu do pomieszczenia;

- geometrii pomieszczenia;

- właściwości termicznych przegród ograniczających pomieszczenie.

Jeżeli szybkość spalania materiałów jest ograniczona przez dostęp tlenu do pomieszczenia, mówi się, że występuje tzw. pożar kontrolowany przez wentylację. Ten typ pożaru ma miejsce przeważnie w początkowej fazie pożaru rozwiniętego. Gdy po pewnym czasie w pomieszczeniu zaczyna brakować palnych materiałów, a dostęp tlenu jest wystarczająco dobry, występuje tzw. pożar kontrolowany przez paliwo. Ten typ pożaru zazwyczaj ma miejsce w końcowej fazie pożaru rozwiniętego. Po tej fazie – na skutek braku materiałów palnych lub w wyniku prowadzonej akcji gaśniczej – temperatura w pomieszczeniu ogarniętym pożarem zaczyna się obniżać i następuje tzw. faza studzenia (zwana też fazą zaniku pożaru).

Niekiedy może wystąpić tzw. stan pożaru zawieszonego. Ma on miejsce wtedy, kiedy w zamkniętej przestrzeni jest jeszcze wystarczająco dużo materiału palnego, jego temperatura jest bardzo wysoka, ale proces spalania został zatrzymany na skutek braku tlenu. W wyniku napływu do pomieszczenia dużej ilości tlenu (np. po otworzeniu drzwi lub zawaleniu się części dachu) może nastąpić gwałtowny (pozornie wybuchowy), ponowny rozwój pożaru.

W przypadku pożarów w dużych otwartych (wysokich) przestrzeniach, np. w budynkach użyteczności publicznej lub przemysłowych, gorące produkty spalania nie gromadzą się pod sufitem, lecz mieszają się z powietrzem znajdującym się wyżej. Powoduje to, że w dużych otwartych przestrzeniach nie występuje globalne rozgorzenie i faza pożaru w pełni rozwiniętego ogarniającego całą przestrzeń pomieszczenia. Najczęściej temperatura panująca w otoczeniu elementów konstrukcyjnych znajdujących się wysoko nad źródłem ognia, pod sufitem nie osiąga aż tak dużych wartości jak w przypadku pożaru w małym pomieszczeniu. Na ograniczonym obszarze dużego pomieszczenia (np. pod antresolą lub w narożniku) może jednak wystąpić „rozgorzenie lokalne”. Ponadto, lokalnie w otoczeniu wybranych elementów konstrukcji (np. słupów), na skutek intensywnego spalania zgromadzonych materiałów, wzrost temperatury może być zbliżony do występującego podczas pożaru w pełni rozwiniętego w małym pomieszczeniu.

Jak już wspominano, przebieg i intensywność pożaru w pomieszczeniu w dużym stopniu zależą od masy i kaloryczności materiałów, które mogą ulec spaleniu. Miarą tych parametrów jest tzw. obciążenie ogniowe. Według [N21] jest to suma energii termicznych uwalnianych w przestrzeni przy spaleniu wszystkich materiałów palnych (zawartość budynku i elementy budowlane). Obecnie, w praktyce najczęściej jest stosowane pojęcie gęstości obciążenia ogniowego – jest to [N21] obciążenie ogniowe przypadające na powierzchnię podłogi…

W załączniku informacyjnym (E) do [N21] podano zalecenia na temat określania obciążenia ogniowego. Charakterystyczną wartość tego parametru oblicza się jako sumę iloczynów masy materiałów palnych i ich ciepła spalania. Do określenia obliczeniowej wartości obciążenia ogniowego jest wymagane uwzględnienie m.in.:

- przebiegu spalania poszczególnych materiałów;

- ryzyka pojawienia się pożaru, zależnego od wielkości rozpatrywanej strefy oraz sposobu użytkowania pomieszczenia;

- zastosowanych środków ochrony przeciwpożarowej.

Prognozowanie obciążenia ogniowego obiektów budowlanych lub ich pomieszczeń jest domeną rzeczoznawców ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych. Problemy te najczęściej nie dotyczą bezpośrednio projektantów konstrukcji i nie będą szczegółowo omówione w tej pracy. W tabeli 2.1 przykładowo podano wartości gęstości obciążenia ogniowego wybranych pomieszczeń, rekomendowane w [N21]. Rozważania na temat określania gęstości obciążenia ogniowego w ujęciu probabilistycznym można znaleźć w [159, 75].

Tabela 2.1. Gęstość obciążenia ogniowego pomieszczeń [N21]

Sposób użytkowania

Gęstość obciążenia ogniowego [MJ/m^2]

średnia

fraktyl 80%

Mieszkanie

780

948

Szpital (pokój)

230

280

Hotel (pokój)

310

377

Biblioteka

1500

1824

Biuro

420

511

Sala konferencyjna

285

347

Centrum sklepowe

600

730

Teatr (kino)

300

365

Komunikacja (przestrzeń publiczna)

100

12

2.2.2. Normowe zależności czas–temperatura

Najprostszym i jednocześnie najmniej pracochłonnym sposobem określenia oddziaływania pożaru na konstrukcję lub inne elementy obiektu budowlanego jest przyjęcie do analizy tzw. pożaru nominalnego [N21, N23]. W praktyce sprowadza się to do zastosowania jednej z normowych zależności czas–temperatura [N21, N12]. Opisują one wzrost temperatury gazów w pomieszczeniu ogarniętym pożarem jednostrefowym, tzn. takim, w którym zakłada się równomierny, zależny od czasu rozkład temperatury w całej przestrzeni ogarniętej pożarem.

W analizach obliczeniowych oraz w badaniach reakcji elementów budowlanych na warunki pożarowe (badaniach odporności ogniowej omówionych dalej) najczęściej jest stosowana tzw. krzywa standardowa. Jest ona opisana równaniem [N21, N12]:

θg = 20 + 345log_10(8t + 1)
(2.1)

Krzywa standardowa określa umownie wzrost temperatury gazów podczas pożaru w pełni rozwiniętego w zwykłym niewysokim pomieszczeniu, np. mieszkalnym, biurowym, użyteczności publicznej. Jest to tzw. pożar celulozowy. Krzywa o praktycznie takim samym przebiegu, choć nieopisana równaniem, lecz podanymi wartościami temperatury w poszczególnych odstępach czasu, jest rekomendowana w [N2] (tzw. krzywa ASTM). Według [N21] W konstrukcjach, w stosunku do których władze krajowe ustalają wymagania w zakresie odporności ogniowej konstrukcji, można przyjmować, że odpowiedni pożar obliczeniowy jest pożarem standardowym, jeżeli nie ustalono inaczej.

Na rysunku 2.3 przedstawiono wzrost temperatury w funkcji czasu, określony wg krzywej standardowej oraz innych krzywych normowych [N21, N12, N16].

Rys. 2.3. Normowe krzywe czas–temperatura [N21, N12, N16]

Krzywa węglowodorowa [N21] może być stosowana podczas prognozowania przebiegu wzrostu temperatury gazów w przypadku pożaru magazynów paliw lub podobnych obiektów. Krzywa pożaru zewnętrznego [N21, N12] określa wzrost temperatury mogącej działać na zewnętrzne elementy budynku, np. w wyniku wydostawania się płomieni przez otwory okienne. Krzywa powolnego nagrzewania [N12] (tzw. pożar tlący się) może być stosowana wtedy, kiedy oddziaływanie pożaru na elementy budowlane może mieć znaczenie w fazie jego rozwoju. Podczas rozpatrywania tzw. pożaru seminaturalnego [N12] temperatura gazów w sąsiedztwie sufitu pomieszczenia powinna osiągnąć wartość 1000oC między 10. a 20. minutą od początku badania. W praktyce tak szybki wzrost temperatury może być trudny do osiągnięcia w piecu badawczym i dlatego oddziaływanie pożaru seminaturalnego może być symulowane za pomocą spalanego stosu drewna. Do badań niektórych elementów budowlanych [N12] może być też stosowane oddziaływanie temperatury ustalonej (tzw. oddziaływanie temperatury o stałym poziomie), wynoszącej: 200oC – do oceny drzwi dymoszczelnych w podwyższonej temperaturze, 500oC – do oceny podłóg podniesionych lub 1000oC – do oceny odporności na pożar sadzy, kominów i wyrobów kominowych.

Przy okazji omawiania normowych zależności czas–temperatura odnoszących się do pożaru w budynkach warto zwrócić uwagę, że przebieg tego zjawiska w tunelach może być znacznie bardziej gwałtowny, a temperatura może osiągać większe wartości. Jest to spowodowane dużą ilością ciepła mogącego się wydzielać bardzo gwałtownie podczas zapalenia się samochodów i przewożonego przez nie ładunku oraz warunkami sprzyjającymi rozwojowi pożaru występującymi zazwyczaj w tunelu. Obiekt taki jest przecież pewnego rodzaju kominem. Na rysunku 2.4, na tle krzywej standardowej, przedstawiono wybrane normowe zależności służące do określenia wzrostu temperatury podczas pożaru w tunelu [55, 27].

Rys. 2.4. Normowe krzywe opisujące wzrost temperatury podczas pożaru w tunelu na tle krzywej standardowej [N21, N12] (rysunek opracowany na podstawie [55 i 27]): 1 – krzywa standardowa, 2 – krzywa HCM (Francja), 3 – krzywa RWS (Holandia), 4 – krzywa RABAT ZTV car (Niemcy), 5 – krzywa RABAT ZTV train (Niemcy)

2.2.3. Zaawansowane normowe modele pożaru

W normie [N21] podano jeszcze inne, bardziej zaawansowane, ale jednak nadal uproszczone modele pożaru. Są to: tzw. pożar strefowy, parametryczne krzywe czas–temperatura, pożar lokalny, model oddziaływania pożaru na elementy zewnętrzne. Z praktycznego punktu widzenia projektowania konstrukcji żelbetowych z uwagi na warunki pożarowe modele te nie mają istotnego znaczenia, a ponadto w polskim załączniku krajowym do [N21] nie zaleca się stosowania tych modeli. Nie będą one zatem omówione w tej pracy.

Warto jednak poświęcić chwilę uwagi parametrycznym krzywym czas–temperatura podanym w załączniku informacyjnym (A) do normy [N21]. Przy wykorzystaniu tych krzywych można uzyskać dokładniejszą prognozę przebiegu wzrostu temperatury w małym pomieszczeniu (o powierzchni podłogi do 500 m^2, wysokości do 4 m) ogarniętym pożarem. Krzywe parametryczne zapewniają możliwość uwzględnienia w obliczeniach: wartości gęstości obciążenia ogniowego w pomieszczeniu, jego geometrii, liczby i wielkości otworów okiennych oraz rodzaju przegród ograniczających pomieszczenie.

Rys. 2.5. Przebieg pożaru określonego krzywą parametryczną w pomieszczeniu o wymiarach w rzucie 7,50 × 10,0 m, wysokości 3,5 m, w zależności od gęstości obciążenia ogniowego (qf,d) i wskaźnika otworów (O); strop żelbetowy; ściany z betonu lekkiego [7]

Na rysunku 2.5 przedstawiono przykładowo przebieg parametrycznych zależności czas–temperatura na tle krzywej standardowej [7]. Podane wykresy opracowano, rozpatrując pomieszczenie o wymiarach w rzucie wynoszących 7,5 × 10,0 m, wysokości 3,5 m, ograniczone stropami żelbetowymi i ścianami z betonu komórkowego, w zależności od tzw. wskaźnika otworów (O) i obliczeniowej gęstości obciążenia ogniowego (qf,d).

Należy zauważyć, że w przypadku wskaźnika otworów wynoszącego 0,04 m0,5, co można uznać za wartość przeciętną, krzywa parametryczna pokrywa się z krzywą standardową do momentu przejścia pożaru w fazę studzenia. W przypadku lepszej wentylacji (większej wartości wskaźnika otworów) krzywa parametryczna znajduje się na rysunku nad krzywą standardową, a w przypadku gorszej wentylacji – pod nią. W przypadku małej (500 MJ/m^2) lub przeciętnej (1000 MJ/m^2) wartości gęstości obciążenia ogniowego, przy przeciętnej wentylacji, faza zaniku pożaru zaczyna się jednak stosunkowo wcześnie – po czasie wynoszącym odpowiednio ok. 40 lub 80 min. Przebieg pożaru jest zatem łagodniejszy od określonego krzywą standardową. Dopiero w przypadku bardzo dużej gęstości obciążenia ogniowego (3500 MJ/m^2) i dobrej wentylacji temperatura określona krzywą parametryczną jest wyższa od występującej w pożarze standardowym.

Na rysunku 2.6 przedstawiono przykładowo przebieg parametrycznych zależności czas–temperatura w rozpatrywanym wyżej pomieszczeniu, w przypadku gęstości obciążenia ogniowego wynoszącej 1000 MJ/m^2, przy wskaźniku otworów wynoszącym 0,061 m0,5, w zależności od rodzaju ścian ograniczających pomieszczenie [7]. Przebieg pożaru jest bardziej surowy (ostrzejszy), im pomieszczenie jest lepiej izolowane, tzn. gdy przegrody nie odbierają ciepła wydzielanego podczas spalania.

Rys. 2.6. Przebieg pożaru określonego krzywą parametryczną w pomieszczeniu o wymiarach w rzucie 7,50 × 10,0 m, wysokości 3,5 m, w zależności od rodzaju ścian; gęstość obciążenia ogniowego qf,d =1000 MJ/m^2; wskaźnik otworów O = 0,061 m0,5; strop żelbetowy [7]

Podsumowując porównania przykładów przedstawionych na rysunkach 2.5 i 2.6, należy zauważyć, że w praktyce jedynie w szczególnych przypadkach pożar określony krzywą parametryczną może mieć przebieg bardziej surowy od określonego krzywą standardową. Krzywa standardowa może być zatem uznana za w miarę bezpieczne oszacowanie przebiegu pożaru w małym pomieszczeniu.

2.2.4. Modelowanie rzeczywistego przebiegu pożaru

Opisane wyżej uproszczone sposoby prognozowania przebiegu pożaru są mało pracochłonne i wygodne, ale ich stosowanie jest obwarowane wieloma ograniczeniami. W przypadku rozpatrywania prostych obiektów nie stanowi to istotnego problemu. Jeżeli jednak ma być prognozowany przebieg pożaru w dużej otwartej przestrzeni ważnego budynku, w obiekcie o skomplikowanej geometrii (np. podziemne stacje metra, dworce kolejowe) lub w obiekcie o specyficznym, nietypowym rozkładzie materiałów palnych (np. ważne obiekty przemysłowe), zasadne może się okazać modelowanie tzw. rzeczywistego przebiegu pożaru. Postępowanie takie jest rekomendowane w normach [N21, N23] pod nazwą Oddziaływania termiczne ustalane na przesłankach o podłożu fizycznym.

W praktyce prognozowanie rzeczywistego przebiegu pożaru sprowadza się do przeprowadzenia obliczeń za pomocą programów komputerowych służących do analizy numerycznej mechaniki płynów, tzw. CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). W programach tych (np. SMARTFIRE [198]) są wykorzystane matematyczne modele wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie oraz wymiany masy, jak również może być uwzględniony wpływ turbulencji. Za pomocą pracochłonnych obliczeń jest możliwe adekwatne uwzględnienie ilości ciepła wydzielanego podczas spalania materiałów znajdujących się w pomieszczeniu o praktycznie dowolnej geometrii, właściwości termicznych przegród ograniczających pomieszczenie oraz jego wentylacji. Umożliwia to precyzyjne określenie np. zmienności w czasie temperatury występującej w wybranych miejscach rozpatrywanego obiektu.

Obecnie, w praktyce obliczenia takie są jednak często prowadzone jedynie w celu uzyskania prognozy zadymienia mogącego wystąpić w wyniku pożaru w istotnych obiektach o skomplikowanej geometrii (np. stacje metra) lub do projektowania (obliczeniowego sprawdzenia skuteczności) systemów oddymiania w tego typu obiektach. Prognozowanie rzeczywistego przebiegu pożaru w celu określenia jego wpływu na konstrukcję obiektu budowlanego lub jej elementy obecnie nie jest jeszcze często stosowane. Analityczny opis modelowania rozwoju i przebiegu pożaru można znaleźć w pracy [118].