Ipsos armat. Protectia la foc (I)

Incendiul, fenomen exotermic asociat cu oxigenul din aer, se manifesta prin aprinderea gazelor care provin din distilarea materialelor combustibile la temperaturi inalte. Conditia propagarii focului este cresterea temperaturii.

Protectia contra incendiului consta in masuri eficiente pentru a evita si a intarzia cresterea temperaturii. In acest sens, o buna protectie o ofera ipsosul sau ipsosul armat sub forma de tencuieli umede sau placari care asigura etanseitatea la oxigenul necesar pentru combustie, la care se adauga calitatile proprii ignifuge. 

Comportarea ca izolator la foc a ipsosului a fost remarcata inca de la inceputul utilizarii lui.

In 1667, la un an dupa celebrul incendiu care a pustiit Londra, la Paris s-a dat o ordonanta care obliga acoperirea cu ipsos a elementelor din lemn, urmarindu-se, prin aceasta, o mai buna rezistenta la foc. Datorita ipsosului, Parisul nu a fost niciodata afectat de un incendiu de amploare.

In 1838 a fost renovat Palatul Invalizilor din Paris, elementele structurale ale sarpantei si planseele din lemn fiind acoperite cu tencuiala pe baza de ipsos. Dupa un timp, un incendiu violent s-a declansat in podul cladirii. Datorita protectiei realizate, a fost posibila stingerea focului si impiedicarea extinderii acestuia, ceea ce a condus la micsorarea pagubelor si protejarea cladirilor invecinate.

Referitor la materialele folosite la constructii, vom lua in considerare doua criterii esentiale care servesc drept baza pentru aprecierea comportamentului la foc: combustibilitatea si inflamabilitatea la incendiu.

Combustibilitatea (aportul de caldura) se determina prin masurarea puterii calorice superioare a materialului (se exprima in kcal/kg material combustibil).

Inflamabilitatea materialelor va influenta:

• propagarea flacarii;
• marirea temperaturii;
• emisia de gaze si fum.

Materialele de constructie se clasifica, in functie de combustibilitate, in urmatoarele clase (conform P118/99):

• incombustibile – C₀(CA₁);
• practic neinflamabile – C₁(CA_2a);
• dificil inflamabile – C₂(CA_2b);
• mediu inflamabile – C₃(CA_2c);
• usor inflamabile – C₄(CA_2d).

Rezistenta la foc este una dintre principalele exigente in constructii.

Limita de rezistenta la foc este perioada de timp in care elementele de constructie (structurale si nestructurale) isi pastreaza stabilitatea, rezistentele mecanice, capacitatea de izolare termica, etanseitatea in timpul incendiului (stabilita prin incercari si exprimata in ore sau minute). Gradele de rezistenta la foc, determinate de timpul rezultat din incercari, sunt: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180 minute, in functie de clasele de combustibilitate sl tipul elementelor de constructie (portante si neportante).

Rezistenta la foc este influentata de: rezistenta mecanica a elementului, izolarea termica (incalzirea sa fie mai mica de 140°C – 180°C), etanseitatea la flacari (este dependenta de deformatiile elementului si eficacitatea termoizolatiei) si absenta emisiei gazelor inflamabile in afara fetei expuse a elementului.

Rezistenta mecanica a elementelor conduce la pastrarea capacitatii portante si a volumului sau initial.

Izolarea termica este considerata satisfacatoare atunci cand incalzirea cauzata de foc nu depaseste, la fata expusa, 140°C…180°C.

Etanseitatea la flacari este influentata de rezistenta mecanica (din punct de vedere al deformatiilor admise) si eficienta izolatiei termice (testul cu bumbacul plasat in spatele fisurilor aparute).

Testarea prezentei sau absentei emisiilor de gaze inflamabile se face cu o flacara, in partea opusa fetei expuse.

Elementele de constructie (pereti, plansee) si golurile functionale din cadrul acestora (usi, cortine, incaperi tampon), folosite pentru limitarea propagarii incendiilor, se pot clasifica in: antifoc, rezistente la foc si etanse la foc.

DEZVOLTAREA INCENDIULUI INTR-O CLADIRE

Conventional, dezvoltarea unui incendiu intr-o incapere este compusa din etapa de crestere, de dezvoltare completa si cea de stingere (fig. 1.I).

Incendiul incepe cu aprinderea unui singur produs, care se poate stinge sau se poate dezvolta intr-un incendiu complet. In aceasta etapa se testeaza comportarea la foc a materialelor de constructie.

Etapa a doua, de dezvoltare completa a incendiului, debuteaza cu o aprindere generala, care este caracterizata de extinderea instantanee a flacarii pe toate suprafetele combustibile din incapere.

In etapa de extindere a incendiului se testeaza comportarea la foc a elementelor de constructie.

Pe durata incipienta a etapei de crestere a incendiului, evacuarea ocupantilor din cladire nu prezinta probleme deosebite.

Riscul cedarii elementelor de rezistenta este neglijabil. Riscul incepe odata cu amorsarea focului, deci cu dezvoltarea completa a incendiului. In aceasta perioada, temperatura creste rapid, iar arderea se presupune ca are un caracter cvasi-stationar.

Conceptul de agresivitate a incendiului

Potentialul distructiv al incendiului mai poate fi numit severitatea incendiului. Cercetarile recente cu privire la dezvoltarea incendiului, implicarea materialelor combustibile, a fluxului aerului si a limitelor incaperii, au relevat aspecte noi cu privire la definitia agresivitatii incendiului.

Abordarea anterioara considera temperatura gazelor de ardere din incapere ca indicator al potentialului distructiv al incendiului. In schimb, limitele incaperii erau considerate participanti pasivi in acest proces, raspunzand doar conditiilor distructive impuse asupra lor din exterior.

Potentialul distructiv al incendiului poate fi masurat cu aria cuprinsa intre curba „temperatura – timp” si axa orizontala a timpului. Acest concept sugereaza ca daca, pentru doua incendii, suprafetele de sub curbe au arii egale, atunci ele au o agresivitate identica, chiar daca temperaturile gazelor de ardere sunt diferite (fig. 1.II).

Ca rezultat al cercetarii s-a dovedit ca temperatura gazelor de ardere nu este principalul indicator al potentialului distructiv al incendiului. Temperatura gazelor de ardere este rezultatul unei interactiuni puternice si complexe dintre gazele de ardere si incapere. Din cauza acestei interactiuni se poate considera potentialul distructiv al incendiului prin efectul acestuia asupra limitelor incaperii.

Cercetari recente au relevat ca potentialul distructiv al incendiului este masurat de „sarcina termica normalizata” care actioneaza asupra limitelor incaperii.

Pe durata de actiune a incendiului, sarcina termica este caldura totala absorbita de limitele incaperii (pe unitate de suprafata). Normalizarea sarcinii termice se realizeaza prin raportarea acesteia la inertia termica a limitelor incaperii.

Conceptul de sarcina termica normalizata. Un incendiu cu sarcina termica mare, intr-o incapere cu suprafetele limita cu inertie termica mare, are aceeasi severitate ca un incendiu cu sarcina termica mica dezvoltat intr-o incapere cu suprafete limita care au inertie termica mica (fig. 1.II).

Factorii care influenteaza incendiul

Studii teoretice si experimentale actuale au scos in evidenta factorii principali care influenteaza potentialul distructiv al incendiului. Acestia sunt exprimati sugestiv in figura 1.III.

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

Cele mai multe informatii din camerele de ardere au rezultat din incercari pe materiale celulozice.

Calculele pentru combustibilul celulozic au indicat faptul ca potentialul distructiv al incendiului (exprimat prin sarcina de caldura, normalizata), poate creste mai lent (decat liniar) cu sarcina incendiului, poate descreste cu marirea ventilatiei incaperii si se va micsora odata cu cresterea inertiei termice a limitelor incaperii.

Testul standard la foc reprezinta simularea idealizata a incendiului in incapere si este conceput a se dezvolta dupa o singura curba „temperatura – timp”.

Proprietatea limitelor incaperii de a rezista potentialului distructiv al incendiului este determinata, in practica, prin efectuarea testului standard la foc asupra esantioanelor de la materialele limitelor incaperii.

Sarcina de caldura normalizata a esantionului este numai in functie de durata testarii. Deci, limitele incaperii trebuie alcatuite din elemente de constructie capabile sa reziste la testele standard la foc, la o sarcina termica normalizata egala cu cea dezvoltata de un incendiu real.

Curbele standard „temperatura – timp”, folosite in diferite tari pentru incercarea elementelor de constructie, nu au diferente semnificative, cu exceptia Japoniei, numai pentru durate mai mari de doua ore.

PROTECTIA LA FOC CU IPSOS ARMAT

Experimentari la foc

Comportarea eficienta la foc a ipsosului armat este determinata de faptul ca ipsosul intarit este un sulfat de calciu cu doua molecule de apa CaSO₄.2H₂O. (placa de ipsos armat cu grosime de 15 mm contine 3 litri de apa la m2). Sub actiunea caldurii provocate de incendiu, ipsosul armat sufera o transformare chimica, rezultat al unei reactii endotermice, care conduce la absorbtia caldurii, neutralizand, astfel, efectele distructive ale focului, eliminand apa legata chimic prin ruperea legaturii moleculare.

Reactia este dubla:

CaSO₄.2H₂O ® CaSO₄.1/2H₂O + 3/2H2O

CaSO4.1/2H2O ® CaSO4 + 1/2H2O

Caldura provocata de incendiu determina un consum important de energie, de 170 kcal/kg de ipsos.

Sub actiunea caldurii dezvoltate de incendiu placile de ipsos armat „transpira”, deci elimina, prin evaporare, apa legata chimic (2%) din structura moleculara, consumand o energie suplimentara (de circa 130 kcal pentru 200 g de apa provenita din 1 kg de ipsos intarit).

Pentru eliberarea apei de cristalizare (20%), din compozitia ipsosului intarit, se consuma o energie care micsoreaza intensitatea focului (8.400 kJ pentru fiecare metru patrat de placa din ipsos armat).

Comportarea buna la foc a ipsosului armat este sustinuta si de faptul ca este un material incombustibil, dar si prin aceea ca protectia cu placi din ipsos armat micsoreaza fluxul de caldura provocat de foc. Aceasta se datoreaza coeficientului de conductivitate redus (λ = 0,41 W/mK ipsos de constructie; λ = 0,1W/mK – ipsos rezistent la foc), comparativ cu alte materiale de constructie (piatra de calcar λ = 2,2 W/Mk, beton greu λ = 1,7 W/mk, material ceramic λ = 1…1,5 W/mK, otel λ = 60 W/mK).

Ipsosul armat va indeplini, deci, un rol de ecran fata de foc, pana in momentul epuizarii procesului de eliberare si evaporare a apei.

In timpul procesului de deshidratare, pe partea opusa a placilor temperaturile vor fi de minimum 110°C.

Dupa deshidratare, semihidratul (CaSO₄.1/2H₂O) va retine lipite placile de protectie, din carton, de miezul din ipsos.

La placile antifoc, miezul din ipsos se armeaza cu fibre de sticla. Armarea va intarzia fisurarea ipsosului si ulterior, marirea acestor fisuri, intarziindu-se, astfel, patrunderea caldurii spre elementul protejat si marindu-se rezistenta la foc a placii de ipsos armat.

Rezistenta la foc a placilor de ipsos armat este influentata de:

• compozitia chimica a ipsosului intarit;
• incombustibilitatea;
• izolarea termica – armarea miezului cu fibra de sticla (ceea ce intarzie fisurarea).

Experimentari la foc. Elementele de constructie sunt incercate la foc in cuptoare a caror incalzire urmeaza legea „temperatura – timp”. Rezultatele incercarilor experimentale au dovedit capacitatea de izolare la foc a ipsosului si a ipsosului armat.

In figura 2 se prezinta limitele rezistentei la foc ale unor elemente de constructie (stalpi, plansee, pereti) protejate sau neprotejate cu ipsos sau ipsos armat.

In cazul placilor din beton armat cu grosimea de 5 cm, protectia cu un strat din ipsos (1,5 cm) pe partea expusa flacarilor mareste limita rezistentei la foc de patru ori, iar aceeasi protectie realizata pe ambele parti ale placii majoreaza aceasta limita de 6,5 ori. Placile din beton armat cu grosimea de 14 cm, protejate cu un strat de ipsos de 1 cm, au limita de rezistenta la foc dubla, comparativ cu cele neprotejate.

Peretii din caramida sau beton, protejati cu un strat de ipsos (0,5 cm) au limita de rezistenta la foc de 2,5 ori mai mare decat elementele neprotejate. Majorarea la dublu (1 cm) sau triplu (1,5 cm) a grosimii stratului de ipsos va mari aceasta caracteristica de 3,5 ori si respectiv, de 5 ori.

Rezultatele testarii la foc a stalpilor sau grinzilor alcatuite din lemn, metal si beton armat sunt prezentate in figura 2.II. Probele incercate (stalpi) au avut inaltimea de 2,3 m si au fost incarcate cu o sarcina centrica de 10 t.

Protectia cu un strat de ipsos armat a probelor de lemn sau beton armat majoreaza limita rezistentei la foc cu 50% (stratul de ipsos are grosimea de 1 cm) si chiar de 2 ori in cazul unui strat de ipsos de 2 cm.

Elementele de structura din otel (stalpi, grinzi), din cauza limitei reduse de rezistenta la foc (fig. 2.II), trebuie protejate in caz de incendiu. Experimentarile au demonstrat calitatile superioare ale protectiei cu ipsos sau ipsos armat.

La stalpii metalici (profile I 100), cu inaltimea de 2,3 m si incarcati cu 10 t, protejati cu un strat de ipsos pozat pe un grilaj ceramic, limita de rezistenta la foc a crescut de 6 ori, respectiv de 9 ori, comparativ cu elementele neprotejate.

In figura 3 sunt prezentate rezultatele experimentarilor prin curbele „temperatura – timp”, realizate pe profile H140 neprotejate la foc si protejate cu strat de ipsos armat cu grosime de 1,5, 3,0, 4,0, si 5,0 cm. Stalpii metalici experimentati au fost neincarcati. Linia orizontala, ce marcheaza temperatura de 550°C, indica valoarea maxima la care otelul pierde capacitatea portanta.

Graficul din figura 3 ne indica timpul in care temperatura stalpului metalic este inferioara limitei de 550°C si variatia acesteia in functie de grosimea protectiei cu ipsos armat. Ca rezultat al experimentarilor, in graficul din figura 1.I. se prezinta variatia temperaturii cu timpul a probelor de ipsos, comparativ cu: mortarul de ciment, elementul ceramic, pasta pura de ciment, betonul celular.

Incercarile s-au efectuat intr-un cuptor cu temperatura constanta de 1.000°C. Dupa obtinerea echilibrului termic, in lacasul peretelui cuptorului s-au introdus probe, cu grosimea de 5 cm, ale materialelor testate. Temperaturile pe fata neexpusa (exterioara) a probelor au fost inregistrate si prezentate in figura 2.I (tinand cont de corectiile necesare pentru a ajunge la temperatura de 1.000°C la fata expusa).

Analizand curbele „temperatura – timp” ale materialelor de constructie incercate se observa ca, dupa o crestere initiala a temperaturii, apare un palier orizontal, desi incalzirea in interiorul cuptorului continua. Palierul traduce grafic echilibrul termic, care se stabileste in grosimea epruvetei intre temperatura din cuptor (1.000°C) si cea din laborator (20°C). Momentul inceputului palierului la materialele testate este diferit si se situeaza la nivelele diferentiate de temperatura. Nivelul temperaturii de echilibru este mai ridicat pentru materialele ai caror coeficienti de conductivitate termica sunt relativ mari.  Timpul de aparitie a palierului de echilibru este cu atat mai scurt cu cat conductivitatea termica a materialului este mai mare.

Curba probei de ipsos marcheaza, la temperatura de 75°C, un palier care corespunde cu eliminarea progresiva a apei de cristalizare. Temperatura de 140°C este valoarea pragului la care elementul din ipsos nu mai are rol de ecran la foc.

Palierul orizontal este atins dupa 210 min., comparativ cu celelalte materiale la care pragul este mai mic de 60 min.

Prin simpla sa prezenta, proba din ipsos deshidratat este inca un ecran la foc, protejand proba de contactul direct al flacarilor, izoland termic fata probei expusa la foc (a elementului protejat). Conductivitatea termica a probei din ipsos incercate este mai mica datorita inlocuirii apei de cristalizare cu aer, ceea ce conduce la izolare termica.

In timpul incendiului ipsosul degaja doar vapori de apa si nu degaja gaze toxice, fum si nici un alt produs ce ar activa combustia.

In articolele urmatoare vom prezenta modalitatile de izolare cu ipsos armat a constructiilor metalice si a celor din lemn.

(Va urma) 

Autor:
prof. univ. dr. ing. Alexandru CIORNEI

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 148 – iunie 2018, pag. 34