UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ-NAPOCAFACULTATEA DE CONSTRUCŢII ŞI INSTALAŢIICURSUL POSTUNIVERSITAR DE PERFECŢIONAREPROIECTAREA HIGROTERMICĂ, ACUSTICĂ, HIDROFUGĂŞI PRIVIND SIGURANŢA LA FOC A CONSTRUCŢIILOR

SIGURANŢA LA FOC

(LA ACŢIUNEA INCENDIULUI)

A CONSTRUCŢIILOR

PROF.DR.ING. HORIA-A. ANDREICA

EXIGENŢE ŞI CRITERII DE PERFORMANŢĂ ÎN PROIECTAREA CLĂDIRILOR LA

ACŢIUNEA INCENDIULUI

Principalul obiectiv impus în cadrul proiectării la acţiunea incendiului este acela ca toate persoanele aflate în clădire sau în compartimentele de incendiu să poată fi evacuate (eliminarea riscului pierderii de vieţi omeneşti).

Pe de altă parte, daunele înregistrate asupra structurii clădirii şi pierderile de bunuri materiale trebuie să se încadreze în limite acceptabile.

Într-o accepţiune mai detaliată, obiectivele protecţiei la acţiunea incendiului sunt (nu neapărat în ordinea importanţei lor):

• Posibilitatea evacuării şi salvării ocupanţilor clădirii

• Limitarea aprinderii şi dezvoltării focului şi fumului în interiorul clădirii

• Limitarea extinderii focului la construcţiile învecinate

• Menţinerea capacităţii portante a clădirilor

• Siguranţa echipelor de salvare

Aceste obiective (exigenţe de performanţă) se regăsesc în toate normele de proiectare la acţiunea incendiului la nivel mondial, diferenţa între aceste norme fiind dată, pe de o parte, de criteriile de performanţă impuse pentru satisfacerea acestor exigenţe, iar pe de altă parte, de măsurile luate pentru implementarea acestor criterii.

Nu trebuie neglijată o diferenţiere majoră în funcţie de concepţia generală pe care o are norma în definirea, cuantificarea şi modurile de satisfacere a criteriilor de performanţă.

Astfel, normativul românesc de proiectare a clădirilor în vederea asigurării sigturanţei la acţiunea incendiului (P118 – 99) este o normă de proiectare prin prescripţii sau specificaţii.

Având în vedere aceste consideraţii se poate trage concluzia că acest normativ este un instrument de lucru rigid, proiectarea după acesta rezumându-se în bună măsură la „bifarea” conformării faţă de anumite detalii constructive şi situaţii concrete dovedite de practica trecută ca garantând un nivel suficient de ridicat al siguranţei la acţiunea incendiului.

SISTEM DE MĂSURI DE IMPLEMENTARE A EXIGENŢELOR ŞI CRITERIILOR DE PERFORMANŢĂ

Realizarea obiectivelor impuse de siguranţa la foc şi satisfacerea criteriilor de performanţă care derivă din acestea se poate face printr-o serie de măsuri, pentru care se încearcă în continuare o clasificare.

Astfel:

Măsuri preventive:• se referă la ceea ce se poate face pentru a fi

împiedicată izbucnirea şi propagarea incendiului; în această gamă de măsuri se înscrie, de exemplu, eliminarea şi protejarea potenţialelor surse de incendiu;

Măsuri active:• măsuri de stingere a incendiului odată

acesta produs;• instalarea unui sistem automat de detecţie

şi stingere a incendiului, pentru evitarea propagării focului;

Măsuri pasive:a) Funcţionale: asigurarea numărului necesar

de căi de evacuare, dimensionarea şi protejarea lor corespunzătoare;

b) Constructive: asigurarea unei comportari adecvate la foc a elementelor de construcţie, adică menţinerea rezistenţelor şi evitarea propagării focului spre compartimentele adiacente;

c) Prin calculul capacităţii de rezistenţă: dimensionarea prin calcul a elementelor de rezistenţă pentru a face faţă solicitărilor datorate incendiului (posibilitate prevăzuta numai de normele europene, nu şi de normativul românesc).

Dezvoltarea şi propagarea incendiului în faza iniţială, ca şi efectele finale ale focului sunt influenţate de măsurile de protecţie activă (detecţie, stingere automată, etc.)- v. figura de mai jos :

Faza initiala

Fum

Faza de racire

Caldura + fum

ISO - 834

timpul t (min)

Temperatura gazelor

COMBUSTIE

Succes almasurilor active

CONTROL PRIN MASURI ACTIVE:- detectie- stingere- ventilare

Esec al masuriloractive

Incendiu complet dezvoltat

Protectie structuralaprin masuri pasive

Dezvoltarea incendiului

Intensitatea şi dezvoltarea incendiului după momentul combustiei sunt condiţionate de un număr de cauze, printre care cele mai importante sunt densitatea sarcinii termice şi ventilaţia.

Asupra acestor cauze se poate interveni prin masuri de protecţie preventivă.

Comportarea clădirii în ansamblu şi a elementelor de construcţie poate fi reglată în faza de proiectare prin măsuri de protecţie pasivă de tip constructiv şi prin calculul capacităţii de rezistenţă.

Proiectarea la criteriile privind salvarea de vieţi omeneşti şi siguranţa echipelor de salvare este făcută prin intermediul măsurilor de protecţie pasivă de tip funcţional.

CONSIDERAŢII DESPRE NORMA ROMÂNEASCĂ P118-99

Conceptul general în determinarea rezistenţei la foc a elementelor structurale este bazat pe constatarea că temperaturile induse de acţiunea incendiului reduc rezistentele şi rigidităţile materialelor până la un posibil colaps.

Rezistenţa la foc a elementelor de construcţie depinde în principal de: sarcina termică, timpul de expunere, încărcările aplicate, sistemul structural, rezistenţa la foc a materialelor.

În norma românească, parametrul pentru evaluarea unei clădiri din punctul de vedere al riscurilor de incendiu este sarcina termică, funcţie de care sunt daţi timpii necesari pentru încadrarea în clasele de rezistenţă la foc.

Codurile româneşti de proiectare nu specifică influenţa caracteristicilor construcţiei (suprafaţa compartimentelor, înălţimea nivelurilor, posibilităţile de evacuare, echipamentele pentru stingerea incendiilor, etc.) asupra modului de estimare a rezistenţei la foc, prevederile fiind bazate exclusiv pe date experimentale, norma neconţinând nici un fel de precizări privind evaluarea rezistenţei la foc pe cale analitică.

În acest sens, trebuie evidenţiat caracterul rigid al normativului românesc, bazat pe prescripţii şi soluţii constructive şi de alcătuire, structură de normă care tinde să fie înlocuită la nivel mondial de concepte mai performante.

Principala problemă a normei româneşti este exact această relativă inflexibilitate, care o face destul de opacă la noile realizări tehnice în domeniu.

Deloc de neglijat, mai apare şi problema pierderilor materiale cauzate de incendiu, problemă care, în ţările dezvoltate, cade în sarcina societăţilor de asigurare care intervin serios în procesul de elaborare şi implementare a normelor specifice.

Modul de implementare a unor exigenţe din punctul de vedere al limitării pierderilor materiale propuse de asiguratori, ca şi relaţia acestor exigenţe cu norma, trebuie să fie o preocupare importantă pentru o normă de proiectare modernă inexistentă deocamdată în România.

SIGURANŢA LA FOC A CONSTRUCŢIILOR

CONFORM NORMATIVULUI P118-1999

CONSIDERAŢII GENERALE

Problematica siguranţei construcţiilor, dar şi a utilizatorilor la acţiunea incendiului, considerat sarcinã excepţionalã, precum şi a urmãrilor acestuia, este extrem de complexã.

La Universitatea Tehnicã din Preston, Anglia, în cadrul Facultãţii de Tehnologie, existã o secţie de protecţie împotriva focului a construcţiilor, organizatã astfel încât cursurile se desfãşoarã pe durata a 4 ani.

• Ordinul ministrului de interne nr. 775/1998 aprobã Normele generale de prevenire şi stingere a incendiilor.

• Actul normativ precizează şi defineşte noţiuni şi terminologie specifică problematicii privind protecţia la foc a construcţiilor

• Se întocmeşte astfel actul normativ numit NORMATIV DE SIGURANŢĂ LA FOC A CONSTRUCŢIILOR – indicativ P118-99, aprobat de Ministerul de Interne şi MLPAT

Normativul are patru părţi :

PARTEA I – Prevederi comune tuturor construcţiilor

PARTEA a II-a – Clădiri civile (publice)

PARTEA a III-a – Construcţii de producţie şi/sau depozitare

PARTEA a IV-a – Construcţii cu funcţiuni mixte

Cele 4 părţi sunt dezvoltate pe parcursul a 8 capitole.

PARTEA I-A – Prevederi comune tuturor construcţiilor

În Capitolul 1 – Generalităţi – Normativul prezintă :

1.1 - Scopul şi domeniile de aplicare ;

1.2 - Terminologia specifică, clasificări 

În Capitolul 2 – Condiţii generale de performanţă a construcţiilor se prezintă2.1.- Riscul de incendiu şi gradul de rezistenţă la foc ;

• Iată câteva precizări esenţiale care prezintă interes privind riscul de incendiu :– riscul de incendiu - unul din criteriile de

performanţă privind cerinţa de calitate C – siguranţa la foc - impusă de LEGEA 10-1995 ;

– riscul de incendiu reprezintă probabilitatea globală de izbucnire a incendiilor, determinată de interacţiunea proprietăţilor specifice materialelor şi substanţelor combustibile cu sursele potenţiale de aprindere, în anumite împrejurări, în acelaşi timp şi spaţiu

– factorii de determinare ai riscului de incendiu – nivelurile de performanţă, modalităţile de evaluare

şi limitele medii şi extreme - stabilite prin reglementări tehnice 

2.2-Amplasarea construcţiilor şi conformarea la foc ;2.3 - Alcătuiri constructive ;2.4 - Limitarea propagării focului şi fumului2.5-Evacuare fum (desfumare) şi gaze fierbinţi2.6 – Căi de evacuare în caz de incendiu 2.7 – Instalaţii de semnalizare şi stingere a incendiilor2.8– Instalaţii utilitare aferente construcţiilor2.9 – Căi de acces, intervenţie şi salvare2.10 – Dotarea cu mijloace de intervenţie şi serviciul de pompieri

PARTEA A II-A – Clădiri civile (publice)În Capitolul 3 – Performanţe comune ale

clădirilor civile (publice) se prezintă :

3.1 – Riscuri de incendiu şi grade de rezistenţă la foc

3.2 – Amplasare şi conformare la foc

3.3 – Alcătuire constructivă- elemente de construcţie :• antifoc (AF)• rezistente la foc (RF)• rezistente la explozie (RE)• etanşe la foc (EF)

În Capitolul 4 – Performanţe specifice unor clădiri civile (publice) se prezintă :

4.1. Performanţe ale unor tipuri de clădiri civile (publice) - clădiri înalte şi foarte înalte- clădiri cu săli aglomerate- clădiri subterane4.2. Performanţe ale unor funcţiuni (destinaţii):- clădiri de locuit- clădiri administrative- clădiri pentru comerţ- clădiri pentru sănătate- clădiri pentru cultură- clădiri pentru învăţămmânt- clădiri pentru turism- clădiri pentru cult- clădiri pentru sport

În Capitolul 4 – Performanţe proprii unor amenajări şi clădiri se prezintă amenajări în aer liber, campinguri, clădiri montane, parcaje pentru autovhicule

PARTEA A III-A – Construcţii de producţie şi/sau depozitare

În Capitolul 5 – Performanţe comune construcţiilor de producţie şi/sau depozitare:5.1. Categorii de pericol de incendiu şi grade de rezistenţă la foc- etc

În Capitolul 6–Performanţe specifice construcţiilor de producţie şi/sau depozitare:6.1. Performanţe ale tipurilor de producţie şi depozitare :- construcţii de tip obişnuit- construcţii monobloc- construcţii blindate6.2. Performanţe ale construcţiilor de depozitare- prevederi comune- depozite închise- depozite deschise

PARTEA A IV-A – Construcţii cu funcţiuni mixte

În Capitolul 7 – Performanţe comune construcţiilor cu funcţiuni mixte se prezintă:7.1. Riscuri şi categorii de pericol de incendiu, grade de rezistenţă la foc

În Capitolul 8 – Performanţe specifice construcţiilor cu funcţiuni mixte se prezintă:

8.1. Performanţe ale tipurilor de construcţii cu funcţiuni mixte- construcţii de tip obişnuit- construcţii înalte, foarte înalte, cu săli aglomerate, monobloc sau blindate8.2. Performanţe ale unor destinaţii din construcţiile cu funcţiuni mixte- funcţiuni mixte civile (publice)- funcţiuni mixte civile(publice) şi unele activităţi de producţie şi/sau depozitare- funcţiuni mixte de producţie şi/sau depozitare

Combustibilitatea materialelor şi elementelor de construcţii reprezintă capacitatea acestora de a se aprinde şi a arde în continuare, contribuind la creşterea cantităţii de căldură dezvoltată de incendiu.

În funcţie de comportarea la foc, materialele şi elementele de construcţii pot fi incombustibile C0 (CA1) sau combustibile. Materialele şi elementele de construcţie combustibile se clasifică în clase de combustibilitate :- C1 (CA2a) – practic neinflamabile;- C2 (CA2b) – dificil inflamabile;- C3 (CA2c) – mediu inflamabile;- C4 (CA2d) – uşor inflamabile

Materialele din clasele C1 (CA2a) şi C2 (CA2b) sunt considerate greu combustibile

Mterialele şi substanţele care se depozitează se clasifică şi în clase de combustibilitate, simbolizate P1 la P5.

Riscul de incendiu se apreciază în funcţie de densitatea sarcinii termice, qi, astfel :

- risc mare qi = peste 840 MJ/m2

- risc mijlociu qi = 420 - 840 MJ/m2

- risc mic qi = sub 420 MJ/m2

Clădirile civle se clasifică în grade de rezistenţă la foc şi risc de incendiu

Clădirile industriale şi de depozitare se clasifică în grade de rezistenţă la foc, risc de incediu şi categorii de pericol de incendiu

Sunt 5 grade de rezistenţă la foc, I , II , III, IV , V şi 5 categorii de pericol de incendiu, A (BE3a), B (BE3b), C (BE2) , D (BE1a) , E (BE1b)

Limitarea propagării focului şi a fumului

Elementele de construcţie, pereţi şi planşee utilizate pentru limitarea propagării incendiilor şi a efectelor acestora, precum şi a exploziilor, sunt de tipul:

• antifoc (AF);

• rezistente la foc (RF);

• rezistente la explozie (RE);

• etanşe la foc (EF).

În funcţie de densitatea maximă a sarcinii termice din spaţiile pe care le limitează, de regulă, pereţii trebuie să reziste la foc conform tabelului de mai jos

•Valoarea din paranteză se aplică în toate cazurile în care se prevăd instalaţii automate de stingere a incendiilor.

Pereţi antifoc

a). Pereţii antifoc se execută din materiale C0 (CA1).b). Pereţii antifoc trebuie să îşi îndeplinească în caz de incendiu

funcţia de compartimentare, păstrându-şi stabilitatea, rezistenţa mecanică şi capacitatea de izolare termică pe timpul normat, în funcţie de densitatea sarcinii termice conform unor valori specifice întabulate, dar cel puţin 3 ore.

c). În structurile din beton armat sau metalice, pereţii antifoc pot fi înglobaţi direct în aceste structuri, care vor fi astfel executate sau protejate încât să aibă rezistenţa la foc cel puţin egală cu cea necesară pentru pereţii antifoc respectivi.

d). Nu se admite încastrarea în pereţii antifoc a planşeelor sau elementelor constructive care au rezistenţă la foc mai mică de 2 ore, permiţându-se numai rezemarea acestora (liberă sau articulată). Rezemarea grinzilor metalice pe pereţi antifoc se realizează astfel încât grinda dilatată să nu dea împingeri laterale în peretele antifoc.

e). Rosturile dintre pereţii antifoc şi planşee, stâlpi, acoperişuri şi pereţii exteriori ai construcţiei se etanşează cu materiale care să asigure o rezistenţă la foc de cel puţin 1 oră şi 30 minute.

Planşee antifoc:a) Planşeele antifoc sunt elemente de

construcţie orizontale sau înclinate care delimitează volume închise din construcţii înalte şi foarte înalte (compartimente de incendiu constituite din unul până la trei niveluri succesive) sau separă funcţiuni cu risc mare de incendiu.

b) Planşeele antifoc se realizează din materiale C0 (CA1), cu rezistenţa la foc minimum 2 ore şi fără goluri sau cu goluri strict funcţionale, protejate corespunzător.

Case de scarăa). Pereţii caselor de scară închise din construcţii

de gradul I...III de rezistenţă la foc, de regulă, trebuie să fie incombustibili (C0), rezistenţi la foc minimum 2 ½ ore şi, după caz, rezistenţi la explozie, iar în clădirile de gradul IV şi respectiv V de rezistenţă la foc, ei pot fi din materiale greu combustibile (C1, C2), cu rezistenţa la foc de minimum 30 minute şi, respectiv, 15 minute.

b). Planşeele clădirilor din gradul I...III de rezistenţă la foc care separă casele de scară şi căile lor de ieşire spre exterior faţă de restul construcţiei, trebuie să fie incombustibile (C0), cu rezistenţa la foc de cel puţin 1 oră.

c). Grinzile, podestele şi rampele scărilor interioare închise sau deschise au acelaşi regim ca şi planşeele (vezi punctul b)

Încăperi de depozitare

• Încăperile de depozitare a materialelor şi substanţelor combustibile solide cu aria mai mare de 36 mp situate în construcţii cu alte destinaţii, de regulă, se separă faţă de restul construcţiei prin pereţi şi planşee incombustibile (C0), având rezistenţa la foc corespunzătoare.

Încăperi pentru instalaţii utilitare

a) Sălile de cazane aferente sistemului de încălzire centrală se separă de restul construcţiei prin pereţi şi planşee incombustibili (C0) cu rezistenţa minimă de 1 ½ ore.

b). Încăperile pentru ventilatoare, filtre, camere de desprăfuire şi cicloane, prin care se vehiculează gaze, vapori, praf sau deşeuri combustibile se separă funcţional de restul clădirii prin elemente despărţitoare C0 (CA1), cu rezistenţa la foc de cel puţin 1 oră. Accesul la aceste încăperi, de regulă, trebuie să fie din exterior sau din încăperi fără riscuri sau pericole de incendiu (cu densitatea sarcinii termice sub 105 MJ/mp).

Plafoane suspendatea). Plafoanele suspendate combustibile trebuie să

aibă continuitatea întreruptă, cel puţin la limita pereţilor încăperii şi în dreptul rosturilor de tasare-dilatare ale construcţiei. Întreruperile se realizează prin fâşii incombustibile sau spaţii libere în planul plafonului.

b). La plafoanele combustibile sau incombustibile suspendate de planşee, de regulă, continuitatea golului dintre tavan şi planseu se întrerupe prin diafragme din materiale incombustibile (C0) sau greu combustibile (C1, C2) sau, în cazuri justificate tehnic, prin perdele de drencere. Sunt exceptate plafoanele suspendate de tip perforat, lamelar, fagure, grătar, sau altele similare (care nu sunt pline)

Galerii, canaleÎn construcţiile de gradul I...III de rezistenţă la foc, de regulă, pereţii tuturor ghenelor verticale pentru conducte trebuie să fie realizaţi din materiale incombustibile (C0), rezistenţi la foc minimum 15 minute, cu excepţia unor cazuri speciale, în care sunt necesare rezistenţe mai mari.

Coşuri, tuburia). Elementele de construcţie care separă de restul

construcţiei camerele şi crematoriile pentru gunoi, vor fi realizate din materiale incombustibile (C0), rezistente la foc minimum 1 oră. Camerele şi crematoriile vor avea asigurată şi evacuarea fumului în exterior prin tiraj natural-organizat, minimum 1% din arie sau prin sistem mecanic.

b). Tuburile pentru gunoi vor fi realizate din materiale incombustibile (C0), iar accesul din construcţie la acestea se asigură, de regulă, prin exterior (logii, balcoane) sau prin încăpere tampon separată de restul construcţiei şi de casa scării prin pereţi (C0), rezistenţi la foc minimum 1 oră şi uşi pline cu autoînchidere.

Ascensoarea). Puţurile ascensoarelor şi, in general, ale

sistemelor de transport pe verticală, inclusiv încăperile pentru maşinile aferente acestora, se separă de restul construcţiei prin elemente incombustibile (C0), cu rezistenţa la foc corespunzătoare riscului (categoriei de pericol) de incendiu, tipului de clădire şi destinaţiei, dar nu mai puţin de 1 oră pentru pereţi şi planşee.

b). În casele de scară de evacuare nu este admisă amplasarea ascensoarelor pentru materiale, precum şi a oricărui sistem de transport de materiale pe verticală.

Finisajea) Finisajul pe căile de evacuare a persoanelor

trebuie să fie, de regulă, incombustibil (C0). Se admit pardoseli din lemn şi mochete de maximum 2 cm grosime, precum şi finisajele din folii de max. 0,5 cm grosime, care vor fi lipite pe suport C0.

b) La placarea cu materiale combustibile a pereţilor incombustibili (C0) rezistenţi la foc, se vor lua măsurile corespunzătoare de protecţie, cum sunt: tratare cu substanţe ignifuge, întreruperi locale ale continuităţii materialelor combustibile, prevederea instalaţiilor automate de stingere, etc.

c) Plafoanele false, placările, tratamentele fonice şi termice, pardoselile înalte, precum şi finisajele combustibile vor fi montate sau protejate faţă de aparate electrice, corpuri de iluminat şi, in general, orice sursă de încălzire, astfel încât să nu fie posibilă aprinderea lor.

Pereţi cortinăa) Pentru întârzierea propagării incendiilor prin exteriorul

construcţiei (pe faţadă) vitrările pereţilor cortină se separă pe verticală prin zone pline cu înălţimea de cel puţin 1,20m, etanşe la foc minimum 30 minute.

b) În dreptul planşeelor de rezistenţă ale construcţiei şi pe toată grosimea acestora, spaţiul liber dintre peretele cortină şi planşeu se etanşează cu materiale incombustibile (C0), asigurându-se minimum 30 de minute etanşeitate la foc, astfel încât să se întârzie propagarea incendiilor prin interior. În toate situaţiile, pentru o mai bună comportare la foc, se pot aplica şi vopsele termospumante.

c) Pentru întârzierea propagării fumului şi a focului, la pereţii cortină care nu au parapete pline C0 (CA1) rezistente la foc minimum 30 de minute, sub planşeele de rezistenţă ale construcţiei se dispun ecrane continui de minimum 0,50 m înălţime, din materiale C0 (CA1), etanşe la foc minimum 30 de minute. Atunci când plafoanele false sunt dispuse la limita inferioară a ecranelor, în plafoane se vor asigura spaţii libere (traforuri) prin care fumul să pătrundă în spatele ecranului. Ecranele pot fi înlocuite cu instalaţii automate tip drencer care să asigure perdea de protecţie.

• Clădiri civile

• Clădiri administrative

• Clădiri pentru comerţ

• Clădiri pentru sănătate

• Clădiri pentru turism

• Construcţii pentru producţie şi/sau depozitare

NOŢIUNI FUNDAMENTALE PRIVIND COMPORTAREA LA FOC A ELEMENTELOR DE CONSTRUCŢIE ŞI A

CLĂDIRILOR

1. Incendiu real şi incendiu normalizat:• Pentru a înţelege comportarea la acţiunea

incendiului a clădirilor este necesară cunoaşterea mecansimului de dezvoltare şi propagare a incendiului şi procesele de natură fizico-chimică pe care acesta le comportă. Astfel, pentru a surprinde dezvoltarea incendiului, acesta poate fi caracterizat printr-o curbă temperatură-timp.

• Un incendiu real care apare în interiorul unei clădiri are alura curbei temperatură-timp aşa cum se prezintă în figura de mai jos.

• Convenţional, dezvoltarea unui incendiu într-o încăpere este compusă din etapa iniţială, cea de combustie sau dezvoltare completă a incendiului şi cea de extincţie:

combustie

Faza de extinctie

1200

1000

800

600

400

200

Timp

Temperatura

( C) o

0

0

20 40 60 (minute)

a b

c

d Faza

initiala

Faza de

• Faza iniţială (a-b), a cărei durată este de cca. 20-30 minute şi în care temperatura este relativ mică.

Incendiul începe cu aprinderea unui singur produs, după care se poate stinge sau poate creşte într-un incendiu complet dezvoltat;

• Faza de combustie (b-c), care poate dura 10-30 minute sau mai mult, timp în care temperatura creşte rapid atingând valoarea maximă la sfârşitul ei, în punctul c.

Căldura produsă de flăcări şi de gazele fierbinţi se transmite prin convecţie şi radiaţie la materialele combustibile din vecinătatea focarului, producând aprinderea lor.

Astfel, din aproape în aproape, incendiul se propagă şi cuprinde întreg spaţiul compartimentului de foc. O situaţie deosebit de periculoasă care poate avea loc în timpul acestei faze este spargerea sau topirea ferestrelor, fapt ce permite o mărire a suprafeţei de ventilaţie, iar flăcările se pot extinde la alte părţi ale clădirii neatinse încă de incendiu. Această fază, de dezvoltare completa a incendiului, debutează cu o aprindere generalizată care este caracterizată de extinderea instantanee a flăcării pe toate suprafeţele combustibile din încăpere.

Faza de extincţie (c-d), în care incendiul scade în intensitate, fie datorită lipsei de oxigen în aer (atunci când spaţiul în care are loc incendiul rămâne închis), fie prin epuizarea materialului combustibil din interiorul compartimentului de foc, fie în urma intervenţiei pompierilor. Temperatura spaţiului în care a avut loc incendiul (compartimentul de foc) scade lent într-o perioadă de timp îndelungată, fapt deosebit de periculos pentru structura de rezistenţă a clădirii, putând provoca cedarea acesteia.

Pentru a se putea evalua rezistenţa la foc a structurilor şi elementelor de structură, atât prin încercări, cât şi prin calcule, s-a propus o curbă temperatură-timp normalizată, care ar corespunde unui incendiu normalizat (standard). Această curbă (figura de mai jos) temperatură-timp (curba ISO-834) variază pe baza relaţiei convenţionale:

în care:• θ - temperatura incendiului la timpul t, în C;• θ0 - temperatura iniţială a compartimentului de foc, în C;• t - timpul în minute, măsurat de la declanşarea incendiului.

)18log(3450 t

Curba standard ISO-834 are rolul de a reproduce în mod convenţional creşterea de temperatură a unui incendiu real.

Pentru evaluarea comportării clădirilor şi elementelor de construcţie, deosebit de important este conceptul de agresivitate a incendiului (potenţial distructiv al acestuia), potenţial care, dacă este evaluat corespunzător criteriilor şi exigenţelor de performanţă specifice situaţiei practice date, poate conduce la o corectă evaluare a rezistenţei la foc pe care clădirea şi elementele de construcţie componente trebuie să o atingă.

Potenţialul distructiv al incendiului mai poate fi numit severitatea incendiului. Cercetările recente cu privire la dezvoltarea incendiului, implicarea materialelor combustibile, a fluxului aerului şi a limitelor compartimentului de foc au relevat aspecte noi cu privire la natura definiţiei agresivităţii incendiului.

0'1'3'10'

20'30'

40'50'

60'90' 120'

o

o

o

o 500o 600o 700o 800o 900o1000o

f 0

345 log (8t + 1)f 0 10

Curba ISOt in minute

t

Abordarea anterioară considera temperatura gazelor de ardere din încăpere ca indicator al potenţialului distructiv al incendiului, în schimb limitele încăperii erau considerate ca participanţi pasivi în acest proces, răspunzând doar condiţiilor distructive impuse asupra lor din exterior.

2. Factori care influenţează dezvoltarea şi potenţialul distructiv al unui incendiu:

Incendiile variază, în general, atât ca intensitate cât şi ca durată, în funcţie de o serie de factori care vor fi analizaţi în continuare.

Spre exemplu, intensitatea şi durata unui incendiu depind de puterea calorică a materialului combustibil, de aportul de oxigen din aer (dacă acest aport este limitat - spaţiu bine închis - temperatura nu va creşte prea mult, însă durata va fi mare); atunci când aportul de oxigen este mare (datorită ferestrelor sparte sau topite), temperatura creşte rapid, atingând valori mari, însă durata incendiului va fi mică (datorită arderii rapide a întregii cantităţi de material combustibil).

a)Influenţa sarcinii termice:• Sarcina termică reprezintă raportul între puterea

calorică totală a materialelor combustibile şi suprafaţa compartimentului în care are loc incendiul. Ea cuprinde toate elementele combustibile care fac parte din construcţie, mobilierul şi eventualele substanţe combustibile depozitate în interiorul spaţiului respectiv.

• Atunci când sarcina termică nu este uniform repartizată in încăpere, se va ţine seama de eventuala aglomerare a acesteia în apropierea unor elemente de structură, fapt care contribuie la sporirea pericolului de cedare a elementului şi a structurii în cazul unui incendiu.

• Cu cât sarcina termică este mai mare, cu atât incendiul va avea o durată mai mare. Întrucât pentru o construcţie riscul de cedare creşte proporţional cu durata incendiului, sarcina termică reprezintă un parametru deosebit de important pentru stabilirea mijloacelor de protecţie a structurii clădirii.

b) Influenţa ventilaţiei:

• Ventilaţia compartimentului de incendiu este cantitatea de aer care pătrunde în interiorul său în unitatea de timp.

Ea influenţează atât temperatura din interiorul compartimentului de incendiu, cât şi (mai ales) viteza de ardere a materialului combustibil, fiind unul din parametrii esenţiali ce caracterizează un incendiu real.• Experienţa a arătat că aportul de oxigen în cursul unui incendiu este funcţie atât de golurile de ventilaţie, cât şi de evacuarea gazelor fierbinţi; în cazul în care aceste goluri nu asigură evacuarea gazelor fierbinţi rezultate în urma arderii, arderea rămâne lentă şi în unele cazuri se poate opri.

c) Influenţa inerţiei termice a limitelor încăperii:• Aria cuprinsă între curba temperatură-timp şi axa

orizontală a timpului este o măsură a potenţialului distructiv al incendiului. Acest concept sugerează că, dacă pentru două incendii, suprafeţele de sub curbe depăşesc o limită de bază, atunci ele au o agresivitate identică, chiar dacă temperaturile gazelor de ardere sunt diferite (figura de mai jos).

• Ca un rezultat al cercetărilor a apărut faptul că temperatura gazelor de ardere nu este principalul indicator al potenţialului distructiv al incendiului. Temperatura gazelor de ardere este rezultatul unei interacţiuni puternice şi complexe dintre gazele de ardere şi încăpere. Datorită acestei interacţiuni apare eficient a privi potenţialul distructiv al incendiului prin prisma efectului asupra limitelor încăperii. Cercetări recente au relevat că măsura potenţialului distructiv al incendiului este „sarcina termică normalizată” care acţionează asupra limitelor încăperii.

Tem

pera

tura

1T

T2

1T > T2

A = A21 incendii cu acelasi potential distructiv

A 1

A 2

•Sarcina termică, pe durata de acţiune a incendiului, este căldura totală absorbită de limitele încăperii (pe unitatea de suprafaţă). Normalizarea sarcinii termice se realizează prin raportarea acesteia la inerţia termică a limitelor încăperii.•Astfel, un incendiu cu sarcina termică mare, într-o încăpere cu suprafeţe limită cu inerţie termică mare, are aceeaşi severitate ca şi un incendiu cu sarcina termică mică, dezvoltat într-o încăpere cu suprafeţe limită cu inerţie termică mică.•Două incendii au potenţial distructiv egal atunci când ariile cuprinse între curbele temperatură-timp şi abscisă sunt egale, chiar dacă temperatura gazelor de ardere este diferită (vezi figura de mai sus).

d) Influenţa modului de repartizare a sarcinii termice:

•Experimental s-a constatat că solicitarea termică este mult mai mare în cazul dispunerii sarcinii termice concentrat, faţă de cea repartizată uniform în interiorul compartimentului de incendiu.

•Studii teoretice şi experimentale actuale au scos în evidenţă factorii principali care influenţează potenţialul distructiv al incendiului, sugestiv exprimaţi în figură

Factorii de care depinde potenţialul distructiv al incendiului

S-a constatat faptul că severitatea incendiului depinde dominant de natura combustibilului: carbonizabil (celulozicele) sau necarbonizabil (majoritatea plasticelor).

Majoritatea informaţiilor din camerele de ardere au rezultat din încercări pe materiale celulozice.

Calculele pentru combustibil celulozic au indicat faptul că potenţialul distructiv al incendiului (exprimat prin sarcina termică normalizată) poate creşte mai lent (decât liniar) cu sarcina incendiului, poate descreşte cu mărirea ventilaţiei încăperii şi, de asemenea, cu creşterea inerţiei termice a limitelor încăperii.

Testul standard la foc reprezintă simularea idealizată a incendiului într-o încăpere şi este conceput a se dezvolta după o singură curbă temperatură-timp.

Proprietatea limitelor încăperii de a rezista potenţialului distructiv al incendiului este determinată, în practică, prin realizarea testului standard la foc a eşantioanelor de la materialele limitelor încăperii. Sarcina termică normalizată impusă asupra eşantionului este funcţie numai de durata testării.

În consecinţă, limitele încăperii trebuie alcătuite din elemente de construcţie capabile sa reziste la testele standard la foc, la o sarcină termică normalizată egală cu cea dezvoltată la un incendiu real.

Pentru a realiza securitatea la incendiu a unei construcţii, un rol important revine elementelor de construcţie, care trebuie să fie capabile să suporte expunerea la temperatura produsă de foc un anumit timp, denumit „durata de rezistenţă la foc”.

Pentru a intelege comportarea unei structuri de rezistenta la incendiu, trebuie studiate proprietatile materialelor componente la temperaturi ridicate.

3. Comportarea elementelor din oţel la acţiunea incendiului:

• Conductivitatea termică influenţează ridicarea temperaturii într-un element de construcţie din oţel la aplicarea fluxului de căldură pe una din feţele exterioare. În timpul incendiului, se poate considera că majoritatea tipurilor de oţel se comportă identic din punctul de vedere al conductivităţii termice.

• În figura de mai jos se indică variaţia conductivităţii termice funcţie de temperatură. Conductivitatea termică a oţelului este de 100 de ori mai mare decât a majorităţii materialelor de protecţie la foc, lucru semnificativ în ceea ce priveşte posibilitatea folosirii oţelului neprotejat în încăperile sau clădirile cu risc de incendiu mare.

• Temperatura diferenţiată în secţiunile din oţel va afecta negativ rezistenţa şi rigiditatea acestui material. Influenţa temperaturii din timpul incendiului va deveni semnificativă numai în cazul când intervine aprinderea generală şi începe etapa incendiului complet dezvoltat.

3.1. Proprietăţile oţelului care afectează mărirea şi distribuţia temperaturii:

• Proprietăţile termice care afectează ridicarea şi distribuţia temperaturii într-o secţiune a unui element structural din oţel sunt căldura specifică şi conductivitatea termică.

• Căldura specifică a oţelului este o caracteristică care descrie cantitatea de căldură de intrare necesară pentru a ridica cu o unitate de temperatură o unitate de masă a metalului

• În figura de mai jos este prezentată variaţia căldurii specifice volumetrice (care este produsul dintre căldura specifică şi densitatea oţelului) funcţie de temperatură. Pentru majoritatea oţelurilor structurale valoarea căldurii specifice creşte gradat cu temperatura. În diagramă se observă o creştere bruscă pe un interval îngust de temperatură.

10

0

20

30

40

50

1600800400400 800 1600 0

2

4

6

8

10

Temperatura ( C)oTemperatura ( C)o

Cal

dura

spe

cifi

ca v

olum

etri

ca M

J/m

K3

Caldura specifica Conductivitate termica

Con

duct

ivita

te te

rmic

a (

k)W

/mK

3.2. Proprietăţile mecanice ale oţelului influenţate de incendiu:

• Modulul de elasticitate al oţelului descreşte cu mărirea temperaturii. Modulul pentru oţelurile feritice descreşte aproape liniar cu temperatura până la 500C, după care descreşterea este mai pronunţată. Analizând curbele caracteristice pentru oţel la diferite temperaturi, se poate vedea influenţa defavorabilă a temperaturii de incendiu asupra capacităţii portante a elementelor din oţel.

• Rezistenţa la deformare, care stă la baza concepţiei structurilor la sarcini de exploatare este caracterizată de un punct de pe curba caracteristică la care se observă o creştere pronunţată a deformaţiei, la o mărire nesemnificativă a efortului.

• La temperaturi ridicate (600C) această caracteristică se diminuează, curba devenind rotunjită.

•Rezistenţa la întindere a oţelului laminat la cald are o variaţie cu temperatura asemănătoare cu cea a rezistenţei la curgere. Oţelul tras la rece are modificările de rezistenţă diferite de oţelul laminat la cald. El pierde din rezistenţă la temperaturi relativ coborâte. Rezistenţa de curgere a oţelului este diminuată cu 50% la temperatura de 600C.•Dilatarea termică, proprietate de deformaţie a oţelului care variază funcţie de temperatură este caracterizată printr-un coeficient de dilatare. Coeficientul de dilatare termică este considerat în principal acelaşi pentru toate oţelurile structurale obişnuite. Valoarea acestui coeficient creşte cu temperatura. Peste 650C el descreşte spre zero (tinde la 0 la 815C), pentru ca apoi să crească din nou. Se remarcă valori scăzute pentru oţelul ecruisat. Variaţia dilatării termice funcţie de temperatură este dată de relaţia:

în care:•a – coeficientul de dilatare termică;•T – temperatura oţelului.

610)0062.011( Ta

Curgerea lentă este deformaţia dependentă de timp a oţelului şi este caracterizată de trei perioade: primară, secundară şi terţiară.

- În prima perioadă, se aplică încărcarea şi apare o deformaţie continuă descrescătoare după deformaţia elastică.

- Urmează o deformaţie care continuă la o rată constantă pentru o temperatură dată.

- În final, perioada terţiară începe în momentul creşterii ratei deformării, creştere care continuă până la cedarea prin rupere.

La temperaturile ridicate provocate de incendiu, deformaţia prezintă o rată variabilă de creştere, influenţată de temperatură şi de durata de timp. Cedarea care survine după o deformare mărită poate fi declanşată de o anumită valoare a încărcării.

4. Comportarea elementelor din lemn la acţiunea incendiuluiRezistenţa la foc a elementelor structurale din lemn este influenţată de viteza carbonizării, de capacitatea portantă a secţiunii necarbonizate şi de aportul elementelor de protecţie.•Lemnul expus la foc formează un strat de cărbune la nivelul suprafeţei expuse. Grosimea stratului de cărbune creşte continuu cu o rată constantă. Stratul de cărbune nu are practic rezistenţă mecanică, deci capacitatea portantă a elementului structural din lemn expus la foc descreşte până când atinge o valoare critică şi elementul nu mai poate prelua încărcări.•Temperatura ridicată din timpul incendiului va afecta rezistenţa şi rigiditatea porţiunii de lemn necarbonizată. Determinarea timpului necesar pentru atingerea acestei valori critice reprezintă rezistenţa la foc a elementului structural din lemn.•Rezistenţa la foc a elementelor din lemn sau timpul în care componenta necarbonizată poate prelua încărcarea este influenţată de viteza carbonizării şi de variaţia rezistenţei si rigidităţii funcţie de temperatură.

4.1. Viteza carbonizării lemnului• Transformarea lemnului, prin degradare termică, în

cărbune şi gaze reduce densitatea, deci rezistenţa mecanică. Analiza termogravimetrică a probelor din lemn, cu o viteză care simulează arderea din timpul incendiului a relevat variaţia importantă a densităţii cu temperatura. Focul induce transformarea lemnului în cărbune cu o variaţie liniară.

• În condiţii standard de expunere la foc, creşterea iniţială a carbonizării lemnului este ridicată, având ulterior o viteză de modificare aproximativ constantă. Între zonele de lemn necarbonizat şi cărbune este o demarcaţie distinctă. La nivelul acestei suprafeţe se atinge o temperatură de aproximativ 300C. Procesul de carbonizare se determină teoretic prin folosirea unor ecuaţii empirice şi a modelelor teoretice bazate pe principii chimice şi fizice. Studiile experimentale au generat expresiile matematice ale vitezei de carbonizare.

• La o expunere standard la foc a elementelor din lemn, viteza de carbonizare în direcţia perpendiculară pe fibre este de 3,6 cm/oră. Aceste valori pot diferi funcţie de esenţa lemnului, densitate şi compoziţie chimică.

•Compoziţia chimică a lemnului influenţează cinetica arderii şi, procentual, greutatea carbonului rezidual. Viteza de carbonizare este influenţată de conţinutul de umiditate şi densitatea lemnului, variind invers proportional cu acestea (figura de mai jos).•Lemnul umed şi dens conduce la o micşorare a vitezei de carbonizare la 2.5 cm/oră, iar lemnul uscat şi uşor măreşte această viteză până la dublu.•La elementele structurale din lemn cu dimensiuni mari, viteza de carbonizare este moderată, comparativ cu elementele cu dimensiuni reduse, unde creşte accentuat cu temperatura la nivelul suprafeţei expuse.•Rata de carbonizare, pe direcţie paralelă cu fibrele lemnului, este de două ori mai mare decat cea pe direcţie perpendiculară pe fibre.•În cazul elementelor din lemn încleiat cu adezivi fenolici, viteza de carbonizare este echivalentă cu cea a lemnului cu densitate ridicată.

Vite

za c

arbo

niza

rii

mm

/min

Temperatura ( C)o

0,5

0,3

0,7

0,9

300 400 500 600

5%

10%

15%

20%Procent deumiditate dingreutatea lemnului

• Aceşti factori contribuie la determinarea ecuaţiilor matematice pentru calcularea grosimii carbonizării în timp. Viteza de carbonizare variază liniar în raport cu fluxul de căldură generat de incendiu.

• Efectul tratamentului de întârziere a incendiului asupra vitezei de carbonizare va influenţa numai timpul până la aprinderea elementului din lemn.

• Rata de carbonizare proprie unui incendiu real depinde de severitatea focului la care sunt expuse elementele structurale din lemn. Severitatea incendiului depinde de materialul combustibil şi de rezerva de aer disponibil.

• Viteza de carbonizare variază liniar în raport cu fluxul de căldură generat de incendiu

4.2. Temperatura incendiului şi proprietăţile lemnului• Proprietăţile lemnului, şi în special cele termice,

sunt influenţate de densitate, conţinutul de umiditate, orientarea fibrelor, temperatură şi compoziţie chimică.

• Lemnul este un material higroscopic la care umiditatea variază funcţie de temperatura şi de umiditatea relativă a aerului (de exemplu, valoarea de 9% a umidităţii de echilibru a lemnului se obţine la o temperatură de 23C şi o umiditate relativă a aerului de 50%).

• Densitatea lemnului, la majoritatea esenţelor, se încadrează în domeniul 300-800 kg/mc. În locul densităţii, în practică se utilizează deseori greutatea specifică, care se bazează pe greutate şi volum la un anumit conţinut de umiditate al lemnului.

oC

ondu

ctiv

itate

term

ica

W/m

C

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

2000 400 600 800 1000

inflamabilein substante volatiledegradarii lemnuluiDescrestere datorita

A

B

C

D

Crestereliniara

Temperatura ( C)o

• Cinetica arderii este exprimată prin constantele ei şi extinderea cărbunelui, la lemnul expus la temperaturi mari. Cinetica pierderii masei datorată degradării termice se prezintă în figura următoare. Până la 200C se pierde 10% din masă, punct de la care descreşterea devine mai accentuată, la 280C – 25% pentru ca să ajungă la 75% pentru 350C, după care variaţia este aproape constantă. Căldura care se degajă în reacţia arderii lemnului variază între 370 KJ/kg endotermic şi 1700KJ/kg exotermic.

0

50

100

150

0 200 400 600 800 1000

Pro

cent

din

den

sit

ate

a i

nit

iala

Temperatura ( C)o

Proprietăţi mecanice. •Modulul de elasticitate al lemnului (la umiditate mai mică de 12%) va descreşte încet până la temperatura de 200C, după care descreşterea este mai rapidă. Rezistenţa la întindere a lemnului (umiditate < 12%) în lungul fibrelor descreşte lent cu temperatura până la 200C, iar după această limită descreşterea se accentuează. În fig. de mai jos este reprezentată variaţia rezistenţei la întindere a lemnului încălzit funcţie de temperatură. Rezistenţa la întindere a lemnului încălzit se reduce cu 24% la nivelul temperaturii de 350C. După răcire şi recondiţionare, la 12% umiditate, o parte importantă din această rezistenţă este recâştigată.•Rezistenţa la compresiune descreşte mai rapid cu temperatura decât rezistenţa la întindere. Figura de mai jos prezintă şi variaţia rezistenţei la compresiune paralelă cu fibrele, aceasta descreşte liniar cu temperatura, ajungând la o valoare de 20% din cea iniţială la temperatura de 300C. După răcire şi recondiţionare (umiditate 12%), rezistenţa la compresiune revine la valorile iniţiale.

00

Proc

ent d

in re

zist

enta

initi

ala

la in

tinde

re s

i la

com

pres

iune

20

40

60

80

100

50 100 150 200 250 300

Temperatura ( C)o

Lemn supraincalzit

Lemn reciclat

Rezistenta la compresiune

Rezistenta la intindere

Deformaţia lemnului • În analiza la incendiu a lemnului, deformarea acestuia

este, în general ignorată, deşi temperaturile până la 100C conduc la contracţia şi fisurarea lemnului. Aceasta depinde de umiditate, esenţa lemnului şi orientarea fibrelor. Datele experimentale confirmă variaţia deformării lemnului funcţie de orientarea fibrelor. Contragerea lemnului variază între 12% şi 8% pe direcţia tangenţială, radială, iar pe cea longitudinală valorile sunt cuprinse între 0,1 şi 0,2%, putând fi mult mai mari la anumite esenţe de lemn.

• Lemnul complet uscat are un coeficient de dilatare pozitiv, proporţional cu densitatea lemnului. Coeficienţii de dilatare termică perpendiculară pe fibre sunt de la 5 la 10 ori mai mari decât cei de la dilatarea paralelă cu fibrele.

• În cazul curgerii lente, atât componenta recuperabilă cât şi cea remanentă au prezentat dependenţă de temperatură. În figura de mai sus se prezintă variaţia rezistenţei la întindere sau compresiune funcţie de temperatura lemnului supraîncălzit şi reciclat.

5. Comportarea elementelor din beton la acţiunea incendiului

La structurile din beton armat, rezistenţa la foc depinde de proprietăţile materialului şi de conformarea secţiunii elementului structural.

• Rezistenţa la foc la structurile din beton armat se determină mai dificil datorită faptului că temperatura variază neuniform în secţiunea transversală pe durata incendiului.

• Proprietăţile mecanice şi termice ale betonului armat variază cu timpul şi cu poziţia din cadrul secţiunii. Aceste proprietăţi, în timpul incendiului au un domeniu larg de variaţie. Toţi aceşti factori concură la o rezolvare matematică dificilă a predicţiei rezistenţei la foc la structurile din beton armat.

5.1. Rezistenţa la foc a stâlpilor din beton armat• Rezistenţa la foc a stâlpilor din beton armat

impune dimensiuni minime ale acestor elemente şi ale acoperirii cu beton a armăturii longitudinale de rezistenţă.

• Rezistenţa la foc a unui stâlp va impune o dimensiune minimă cu relaţii matematice pe bază de coeficienţi (stabilite pe cale empirică) şi care ţin seama şi de capacitatea portantă calculată şi cea necesară, de lungime, de procente de armare, etc. La această dimensiune minimă a stâlpului se adaugă condiţia de acoperire minimă cu beton a armăturii longitudinale de rezistenţă, pentru a preveni atingerea unei temperaturi excesive în oţel.

5.2. Rezistenţa la foc a plăcilor din beton armat•Placa din beton armat va ceda datorită transferului excesiv de căldură, în timpul incendiului, când pe faţa neexpusă se va atinge temperatura de 120C. Rezistenţa la foc este timpul consumat până la atingerea acestei temperaturi.•Rezistenţa la foc a plăcilor din beton armat monolit, cu greutate normală, respectiv timpul pentru obţinerea unei creşteri a temperaturii peste cea de cedare (120C) pe suprafaţa neexpusă, se determină cu relaţii rezultate din modelarea datelor experimentale.

MODALITĂŢI DE PROTECŢIE LA ACŢIUNEA INCENDIULUI A ELEMENTELOR DIN OŢEL

Generalităţi• Dacă se face o analiză comparativă a

materialelor care pot fi folosite în alcătuirea structurilor de rezistenţă pentru construcţii, se constată că oţelul este cel mai defavorabil material din punctul de vedere al acţiunii incendiului. Deşi este un material incombustibil, proprietăţile oţelului sunt afectate în mod drastic de expunerea sa la temperaturi înalte, în special prin modificarea limitei de curgere şi a modulului de elasticitate.

• În cazul elementelor structurale din oţel „randamentul secţiunii” este cel mai mare (prin randamentul secţiunii întelegând raportul dintre aria secţiunii transversale şi capacitatea portantă maximă admisă). Cu alte cuvinte, structurile din oţel sunt cele mai zvelte folosite în practica inginerească.

Aceste două observaţii au dus la încadrarea oţelului ca element de rezistenţă în cadrul materialelor de construcţie a căror utilizare este periculoasă în cazul luării în considerare a riscului de incendiu. De aici şi necesitatea (obligaţia) de protejare a elementelor de rezistenţă din oţel la acţiunea incendiului.

În cazul tuturor procedeelor de protecţie, problema critică este asigurarea aderenţei necesare între elementul protejat şi materialul de protecţie, ca şi evitarea ca elementele de fixare ale materialului de protecţie (eventuale tije, şuruburi, armături de repartiţie – în cazul înglobării în beton) să se constituie în punţi termice care să faciliteze un transfer de căldură local spre interiorul elementului protejat.

Protecţia cu ipsos armat

Mecanismul de izolare la foc al ipsosului armat• Comportarea eficientă la foc a ipsosului armat este

susţinută, pe de o parte, de faptul că este incombustibil. Pe de altă parte, prin elementele de ipsos armat fluxul de căldură este micşorat, datorită coeficientului de conductivitate termică redus (λ = 0,41 W/mK – ipsos de construcţii; λ = 0,10 W/mK – ipsos rezistent la foc) şi a influenţei transformărilor cristalografice din ipsosul armat.

• Sub acţiunea căldurii, ipsosul armat suferă o transformare chimică, rezultat al unei reacţii endotermice (are loc cu absorbţia căldurii). Astfel, efectele distructive ale focului sunt diminuate (prin această absorbţie de căldură), în urma reacţiilor chimice, ipsosul eliminând apa legată chimic prin ruperea legăturii moleculare. Se consumă o cantitate importantă de energie (cca. 170 kcal/kg de ipsos).

• Ulterior, apa se va evapora şi va consuma o energie suplimentară de cca. 130 kcal/200g de apă într-un kg de ipsos. Cu alte cuvinte, ipsosul armat va îndeplini un rol de ecran de protecţie faţă de foc, până în momentul epuizării procesului de eliberare şi evaporare a apei.

Rezistenţa la foc a elementelor metalice protejate cu ipsos armat

• Oţelul, similar celorlalte materiale de construcţie, pierde din rezistenţa sa mecanică la temperaturi înalte. Poate fi indicată o temperatură critică la care rezistenţa este atât de diminuată încât coeficientul de siguranţă la cedare este mai mic decât 1.

• Deci, calculul cedării elementelor de construcţie din oţel se reduce la calculul temperaturii din aceste elemente. Temperatura critică (standarde americane) pentru stâlpii structurali din oţel (dar şi pentru alte elemente structurale) este de 5380 C.

Cercetările au demonstrat că temperatura dintr-un stâlp de oţel, supus la acţiunea incendiului, depinde de raportul greutate/perimetru încălzit.

Conceptul de perimetru încălzit este indicat în figura de mai sus. În urma studiilor experimentale au fost deduse următoarele expresii referitoare la rezistenţa la foc a secţiunilor din oţel protejate cu materiale izolante uşoare (de ex. ipsos-carton):

în care:• R este rezistenţa la foc a stâlpului din oţel (minute);• C1, C2 sunt constante specifice materialului de

protecţie (funcţie de densitatea protecţiei);• W este greutatea stâlpului din oţel (kg/ml);• D este perimetrul încălzit desfăşurat (cm);• h este grosimea stratului de protecţie împotriva

focului (cm).

hCD

WCR

21

Pe baza rezultatelor acumulate în urma testelor la se propune o relaţie empirică pentru determinarea rezistenţei la foc a stâlpilor protejaţi cu plăci din ipsos carton:

în care:

• R este rezistenţa la foc (în minute);• W’ este raportul greutate/lungime a stâlpului din oţel (inclusiv

greutatea protecţiei din ipsos carton) (kg/m);• h este grosimea protecţiei din ipsos carton (cm);• D -perimetrul încălzit desfăşurat, definit ca perimetru interior al

protecţiei la foc Pentru a deduce greutatea totală W’ a stâlpului şi a protecţiei din

ipsos-carton, se va utiliza următoarea relaţie:

în care:W este greutatea stâlpului de oţel pe unitatea de lungime (kg/m),

celelalte mărimi având semnificaţiile din relaţia de mai sus

75.0

2

'

130

D

Wh

R

14450'

DhWW

Protecţia prin înglobare în betonBetonul este un material eficient pentru protecţia

structurilor metalice. Acest fapt se datorează unei comportări bune la acţiunea focului, materialul fiind incombustibil, dar şi posibilităţii de preluare a eforturilor de compresiune. Această din urmă caracteristică face ca soluţia să fie una folosită îndeosebi la protecţia stâlpilor metalici.

Inconvenientul major al soluţiei este dat de greutatea specifică mare a betonului, care duce la o sporire a greutăţii proprii a structurii de rezistenţă. Din această cauză, soluţia nu poate fi adoptată în cazul clădirilor înalte şi foarte înalte.

Problemele calculului unei secţiuni din oţel protejate prin înglobare în beton sunt, în esenţă, cele de la calculul unei secţiuni de beton armat: neuniformitate a materialului (deci neuniformitate de proprietăţi mecanice şi termice), distribuţie neuniformă a temperaturii în interiorul secţiunii transversale.

Protecţia cu panouri tip sandwichO soluţie frecvent utilizată, cu precădere în cazul

halelor industriale sau spaţiilor de depozitare, este aceea a placării cu panouri metalice cu miez din poliuretan rigid, fibre minerale sau polistiren (panouri de tip sandwich). Soluţia oferă şi posibilitatea executării unor închideri uşoare, simplu de montat şi cu un minim de consum de timp şi de manoperă, panourile respective putând avea şi rol de elemente de izolaţie termica pentru clădire.

În continuare, se face o trecere în revistă a celor 3 tipuri de panouri tip sandwich enumerate mai sus, pe baza rezultatelor unui program de cercetare iniţiat de firma KINGSPAN (unul dintre marii producători de astfel de panouri la nivel mondial). Majoritatea consideraţiilor de mai jos se bazează pe observaţii vizuale în urma testelor.

Panouri izolatoare tip sandwich cu miez poliuretanic.

Poliuretanul rigid este termorezistent, iar sub acţiunea focului se acoperă cu o crustă rigidă carbonizată, mult diferit de polistiren, care, fiind un material termoplastic, se topeşte şi ia foc în contact cu flăcările.

Observaţii făcute în urma testelor• Panourile din poliuretan rigid (standard sau protejate

împotriva focului) nu permit răspândirea focului prin miez spre interiorul foilor de tablă;

• Chiar dacă foile de tablă dinspre interior (spre sursa de incendiu) flambează uşor, îmbinările rămân intacte. Flăcările pătrund în miezul panourilor pe la îmbinarea învecinată sursei de foc, dar s-a observat doar o carbonizare locală;

• Căldura provenită de la foc duce la o descompunere lentă şi graduală a izolaţiei, creând un strat carbonizat stabil şi care funcţionează ca un strat de protecţie pentru miezul panoului;

• Iniţial, se carbonizează izolaţia din imediata vecinătate a foii de tablă interioare, protejând restul izolaţiei de zona fierbinte. Carbonizarea se adânceşte progresiv cu creşterea timpului de expunere la foc. Procesul se opreşte atunci când focul este stins sau când sursa de foc îşi pierde din intensitate.

Se poate deci concluziona, în urma unor teste la foc efectuate pe o suprafaţă mare, comportarea la foc a panourilor izolatoare cu miez poliuretanic rigid ca fiind caracterizată de următoarele date:

• Se menţine integritatea structurii;• Focul nu se răspândeşte prin miez;• Criteriile de izolaţie sunt îndeplinite;• Nu apar picături incandescente;• La temperaturi peste 300°C, descompunerea este

graduală, cu emisie scăzută de fum;• Pierderea aderenţei şi degradarea panoului

(flambajul căptuşelii alăturate sursei de căldură) nu compromit integritatea structurii;

• Nu există riscuri suplimentare pentru pompieri.

Se prezintă mai jos rezultatele unui test la temperatură de peste 1000°C:

Se formează un strat carbonizat stabil, care funcţionează ca o protecţie

Panouri izolatoare tip sandwich cu fibră mineralăAceste panouri, având o densitate nominală în jurul

valorii de 100 kg/m2 sunt folosite mai ales ca elemente de închidere exterioare acolo unde se cere o rezistenţă la foc a izolaţiei de 30 până la 120 de minute, sau în cazul unor aplicaţii care implică riscuri majore de incendiu.

Panourile sandwich cu fibră minerală de densitate mare se comportă bine la teste, încadrându-se în prevederile referitoare la produsele cu mare rezistenţă la foc. Aceste panouri, ca de altfel toate panourile tip sandwich, sunt deteriorate de foc prin flambarea foii de tablă dinspre interior (dinspre sursa de căldură) şi prin efectul temperaturii asupra izolaţiei, astfel încât se impune înlocuirea lor.

În urma testelor au rezultat următoarele caracteristici în ceea ce priveşte comportarea la foc a acestui tip de panouri:

• Se menţine integritatea structurii;• Focul nu se răspândeşte prin miez;• Materialele din care este alcătuit miezul au o contribuţie

minimă la întreţinerea arderii;• Se menţine integritatea izolaţiei;• La temperaturi de peste 300°C sunt afectate răşinile şi

adezivii care intră în compoziţia acestor panouri;• În urma acestui fapt, se constată pierderea aderenţei şi

flambarea foii de tablă în imediata vecinătate a sursei de căldură.

Lianţii organici au fost afectaţi de căldură şi flăcări până la o adâncime de 25 mm. Testele au arătat că adaosul adeziv care leagă fibra minerală de foile de tablă arde la temperaturi de peste 300°C (v. foto de mai jos) :

Panouri izolatoare tip sandwich cu polistiren

Testele indică faptul că, odată ce flăcările au pătruns în miez, focul se răspândeşte fără a putea fi controlat. Odată cu avansarea focului, miezul izolator este distrus.

Dacă foile de tablă nu sunt fixate prin găurire, ele se pot prăbuşi rapid, mărind viteza de răspândire a flăcărilor.

În situaţia în care foile de tablă au fost securizate şi îmbinările bine etanşate, focul nu s-a extins brusc de-a lungul pereţilor.

În urma testelor la foc pe suprafaţă mare, se poate concluziona comportarea panourilor sandwich de acest tip ca fiind caracterizată de următoarele aspecte:

• Izolaţia s-a topit şi panourile s-au contractat;• S-au creat picături incandescente;• Izolaţia a contribuit la răspândirea focului;• Flacăra s-a extins între foile de tablă ce alcătuiesc

panoul;• Panourile care nu au fost bine securizate s-au

desprins de pe structură, lucru care ar putea conduce la afectarea structurii de rezistenţă în cazul unui incendiu.

• Focul continuă să se răspândească prin miez spre faţete. Sursa de foc nu mai contribuie la extindere. Unele panouri au căzut de pe structură (v. foto de mai jos)

• Finalul testului prezinta măsura în care au fost afectate panourile securizate pe structură (v. foto)

Protecţia cu materiale intumescenteEste o soluţie utilizată mai ales în cazul structurilor metalice

spectaculoase, la care s-a luat în considerare în proiectarea arhitectonică şi ambientală păstrarea elementelor metalice aparente sau în cazul structurilor pentru clădiri înalte şi foarte înalte.

Utilizarea acestei metode de protecţie în cazurile enumerate mai sus este datorată unei combinaţii de greutate specifică mică cu productivitatea mare în execuţie, dar folosirea acestor metode pe scară mai largă este împiedicată de costurile mari ale materialelor.

Există o largă varietate de metode de protecţie, printre care se pot enumera:

• vopsirea cu vopsele intumescente pe bază de apă, care însă necesită un strat de amorsaj şi (eventual) unul de protecţie;

• torcretarea cu mortare rezistente la foc;• aplicarea prin pulverizare de fibre minerale în amestec cu

diferiţi lianţi.

MATERIALE ŞI TEHNICI DE PROTECŢIE A ELEMENTELOR DIN LEMN

Pentru asigurarea pentru o structură din lemn a unei stabilităţi suficiente se poate mări secţiunea elementelor. Protecţia realizată nu prezintă însă importanţă practică dacă se caută timpi mari de stabilitate

În plus, ţinând cont de variaţia umidităţii lemnului, se poate presupune o variaţie a dimensiunilor grinzilor, variaţie care poate avea efecte negative asupra îmbinărilor cu materialele de protecţie.

Procedeele de ignifugare nu ameliorează decât timpul de reacţie a lemnului la foc şi nu diminuează cu nimic procesul de combustie odată ce acesta a început.

Protecţia cu pastă de ipsos sau placarea cu elemente din ipsos:

În cazul protecţiei lemnului, spre deosebire de protecţia elementelor metalice, se recurge în practică la ipsos, care este singurul material la care costurile pentru executarea protecţiei sunt comparabil cu cele ale măririi secţiunilor elementului din lemn. În acelaşi timp, atât în varianta aplicării de pastă cât şi în cea a placării, principala problemă constă în prinderea materialului de protecţie, din cauza variaţiilor de dimensiuni cauzate de umiditatea lemnului.

În cazul aplicării ipsosului sub formă de pastă i se imbunătăţeşte aderenţa prin amestecarea cu nisip silicios sau prin legarea de elementul din lemn prin cuie cu cap lat. În cazul plăcilor prefabricate este important să se ţină seama de punţile termice reprezentate de elementele metalice de prindere (şuruburi) ale căror capete se încălzesc rapid şi transmit căldura lemnului, care se usucă sau se carbonizează în imediata vecinătate a şurubului, ducând la desprinderea prematură a plăcilor.

De asemenea, este importantă evitarea elementelor a căror geometrie sau stare a suprafeţei favorizeaza aprinderea: eliminarea reazemelor sau îmbinărilor expuse (văzute), diminuarea raportului suprafaţă/volum, şlefuirea suprafeţelor, iar dacă cerinţele de natură economică o permit, folosirea lemnului de esenţă tare.

Comportarea îmbinărilor

Pentru asigurarea legăturilor între elementele structurale, se recurge deseori la aşa numitele “îmbinări mecanice”, cu alte cuvinte la gusee metalice, buloane, cuie, şuruburi, tije, etc.

Prezenţa acestui tip de îmbinări ridică probleme în ceea ce priveşte comportarea la acţiunea incendiului.

Mai întâi, este problema punţilor termice care se pot crea şi care pot duce la desprinderea elementelor din lemn din îmbinare prin carbonizare locală.

O a doua problemă este chiar cedarea elementelor metalice.

Pentru a fi preîntâmpinate aceste posibile riscuri, se adoptă de preferinţă soluţii în care metalul nu este expus direct la foc: piese metalice înglobate în secţiunea de lemn, buloane cu cap îngropat, protecţie aplicată prin pulverizare (ipsos sau alte materiale folosite la oţel).

Dacă aceste soluţii nu sunt posibile, se prevăd elemente metalice de dimensiuni sporite, pentru a asigura limitarea transferului de caldură şi mărirea gradului de siguranţă prin creşterea capacităţii lor portante mult peste limitele necesare în mod obişnuit. În acelaşi timp, este posibilă o evaluare a comportării acestor piese de îmbinare metalice prin folosirea metodelor specifice prevăzute de norme pentru proiectarea elementelor din oţel.

Rezistenţa la foc a elementelor din lemn protejate cu plăci din ipsos armat

Rezistenţa la foc a elementelor structurale din lemn depinde de comportarea plăcilor de protecţie, de extinderea carbonizării şi de capacitatea portantă a porţiunii necarbonizate. Pentru determinarea rezistenţei la foc a elementelor din lemn protejate cu plăci de ipsos carton rezistente la foc se va utiliza metoda de calcul adiţională, a componentelor.

Deci, rezistenţa la foc a ansamblului izolat depinde de tipul şi grosimea plăcilor de ipsos carton. Suma rezistenţelor la foc a plăcilor de protecţie va reprezenta rezistenţa minimă la foc a elementului de lemn protejat.

Rezistenţa la foc a plăcilor de ipsos carton este aproximativ direct proporţională cu grosimea acestora (placa de 10 mm are rezistenţa la foc de 10 minute; 12.5 mm – 15 minute; 18 mm – 20 minute; două plăci de 10 mm – 25 minute).

Rezistenţa la foc a scheletului de lemn depinde de poziţia elementului (stâlp, grindă), la care se adaugă izolarea sau nu cu vată minerală (la ansamblurile de planşeu sau acoperiş) şi finisajul exterior.

Plăcile din ipsos carton se vor monta la pereţi cu dimensiunea lungă paralelă cu componentele scheletului. În cazul utilizării la elementele orizontale sau înclinate (în cazul elementelor de acoperiş) plăcile vor fi montate cu dimensiunea lungă perpendicular pe elementele scheletului din lemn. În ambele cazuri, rosturile vor fi umplute.

Rezistenţa la foc a elementelor structurale din lemn de tip stâlp, grindă expuse pe trei sau patru laturi la foc se determină cu relaţia:

în care:

•R este rezistenţa la foc a grinzii sau stâlpului din lemn (minute);•B este latura mică a grinzii sau stâlpului din lemn înainte de expunerea la foc (dm);•H este latura mare a grinzii sau stâlpului înainte de expunerea la foc (dm);•f este un factor funcţie de încărcare, iar pentru stâlpi se adaugă şi lungimea efectivă (vezi figura de mai jos);•L este lungimea liberă a stâlpului sau grinzii (dm).•C1 = 4 pentru grinzi expuse la foc pe 3 şi 4 laturi;•C1 = 3 pentru stâlpi expuşi la foc pe 3 şi 4 laturi;•C2 = 2 pentru grinzi expuse la foc pe 4 laturi;•C2 = 1 pentru grinzi expuse la foc pe 3 laturi şi stâlpi expuşi pe 3 şi 4 laturi;•C3 = 2 pentru stâlpi expuşi la foc pe 3 laturi;•C3 = 1 pentru grinzi expuse la foc pe 3 şi 4 laturi şi stâlpi expuşi pe 4 laturi.

HC

BCCBfR

32154.2

MODALITĂŢI DE PROTECŢIE LA ACŢIUNEA INCENDIULUI A ELEMENTELOR DIN BETON ARMAT

La structurile din beton armat, rezistenţa la foc depinde de proprietăţile materialului şi de conformarea secţiunii elementului structural.

Rezistenţa la foc la structurile din beton armat se determină mai dificil, datorită faptului că temperatura variază neuniform în secţiunea transversală pe durata incendiului.

Proprietăţile mecanice şi termice ale betonului variază cu timpul şi poziţia în cadrul secţiunii. Aceste proprietăţi, în timpul incendiului, au un domeniu larg de variaţie.

Toţi aceşti factori concură la o rezolvare matematică dificilă a predicţiei rezistenţei la foc la structurile din beton armat.