Ipsos armat. Protectie la foc a constructiilor metalice (II)

(Continuare din nr. 148, iunie 2018)

Timpul redus de pierdere a capacitatii portante a elementelor unei structuri metalice supuse la actiunea directa a flacarii impune, in mod firesc, marirea rezistentei la foc prin solutii de protectie pasiva.

Protectia pasiva contra focului se realizeaza in special prin izolarea elementelor si structurilor metalice din otel cu ipsos armat si/sau materiale termoizolatoare cu diferite grosimi, in functie de rezistenta la foc impusa de specificul si destinatia cladirii.

Proprietatile otelului care afecteaza marirea si distributia temperaturii

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

Proprietatile termice care afecteaza ridicarea si distributia temperaturii intr-o sectiune a unui element structural din otel sunt conductivitatea termica si caldura specifica.

Conductivitatea termica influenteaza cresterea temperaturii intr-un element de constructie din otel la aplicarea fluxului de caldura pe una dintre fetele exterioare. In timpul incendiului, aceasta proprietate poate fi considerata identica pentru majoritatea tipurilor de otel.

In figura 4B se indica variatia conductivitatii termice in functie de temperatura si relatiile aferente determinarii analitice in functie de cele doua intervale de variatie a temperaturii, pana la 900°C si dupa aceasta temperatura. Conductivitatea termica a otelului este de 100 de ori mai mare decat a majoritatii materialelor de protectie la foc.

Temperatura diferita in sectiunile din otel va afecta negativ rezistenta si rigiditatea acestui material.

Influenta temperaturii din timpul incendiului va deveni semnificativa numai in cazul cand intervine aprinderea generala si incepe etapa incendiului complet dezvoltat.

Caldura specifica a otelului este o caracteristica ce descrie cantitatea de caldura de intrare necesara pentru a ridica cu un grad o unitate de masa a metalului.

In figura 4 este reprezentata variatia caldurii volumetrice specifice (produsul dintre caldura specifica si densitatea otelului) in functie de temperatura.

Pentru majoritatea otelurilor structurale valoarea caldurii specifice creste gradat cu temperatura. In diagrama se observa o crestere brusca pe un interval ingust de temperatura (in jurul valorii de 700°C).

Caldura specifica se va considera, in calcul, cu o buna aproximare, 600 Jkg/K, datorita imprastierii mari a datelor in acest domeniu ingust.

Difuzivitatea termica este masura eficientei disiparii caldurii prin otel si este raportul intre conductivitatea termica si produsul intre densitate si caldura specifica.

Difuzivitatea termica mare conduce la un transport rapid de caldura prin otel, de la suprafata incalzita in restul elementului.

Proprietatile mecanice ale otelului influentate de incendiu

Modulul de elasticitate al otelului va descreste cu marirea temperaturii (la otelurile feritice descreste liniar pana la 500°C). Analizand curbele caracteristice pentru otel la diferite temperaturi, se observa clar influenta defavorabila a temperaturii de incendiu asupra capacitatii portante a elementelor din otel.

Rezistenta la deformare (limita de elasticitate), care sta la baza conceptiei structurilor la sarcini de exploatare, este reprezentata de un punct de pe curba caracteristica de la care se observa o crestere pronuntata a deformatiei, la o marire nesemnificativa a efortului. La temperaturi ridicate (600°C) aceasta caracteristica se diminueaza, (curba capata o forma rotunjita).

Rezistenta la intindere a otelului laminat la cald are o variatie asemanatoare cu temperatura ca si rezistenta la curgere. Otelul tras la rece are modificarile de rezistenta diferite de otelul laminat la cald. El pierde din rezistenta la intindere la temperaturi relativ coborate. Rezistenta de curgere a otelului este diminuata cu 50% la temperatura de 600°C.

Dilatarea termica, proprietate de deformatie a otelului, care variaza in functie de temperatura, este caracterizata de un coeficient de dilatare. Coeficientul de dilatare termica este considerat, in principal, acelasi pentru toate otelurile structurale. Valoarea acestui coeficient creste cu temperatura. Peste 650°C el descreste spre zero (tinde la 0 la 815°C) ca apoi sa creasca din nou.

Se remarca valori scazute pentru otelul ecruisat.

Valoarea dilatarii termice, in functie de temperatura, este data de relatia:

a = (11+0,0062 T)·10-6    (1)

in care:

a – coeficient de dilatare termica;

T – temperatura otelului.

Curgerea lenta este deformatia dependenta de timp a otelului, caracterizata de trei perioade: primara, secundara si tertiara.

In prima perioada se aplica incarcarea si apare o deformatie continua descrescatoare dupa deformarea elastica. Urmeaza o deformatie care continua la o rata constanta, pentru o temperatura data. In final, perioada tertiara incepe in momentul cresterii ratei deformarii, crestere ce va continua pana la cedarea prin rupere.

La temperaturi ridicate, provocate de incendiu, deformatia prezinta o rata variabila a deformarii, influentata de temperatura si de durata incendiului.

Cedarea survine dupa o deformare marita si se declanseaza la o anumita valoare a incarcarii.

Rezistenta la foc a otelului protejat cu ipsos armat

Similar celorlalte materiale de constructie, otelul pierde din rezistenta mecanica la temperaturi inalte. Poate fi indicata o temperatura critica la care rezistenta este atat de redusa, incat coeficientul de siguranta la cedare este mai mic decat 1.

Calculul cedarii elementelor de constructie din otel se reduce la calculul temperaturii din aceste elemente. Temperatura critica (standarde americane) pentru stalpii structurali din otel (si alte elemente) este 538°C.

Cercetarile au demonstrat ca, la incendiu, temperatura dintr-un stalp de otel este in functie de raportul greutate/perimetru incalzit.

Conceptul de perimetru incalzit este indicat in figurile 4 si 5.

Prevenirea micsorarii rapide a capacitatii portante a unui stalp de otel se realizeaza prin protectia acestuia cu materiale rezistente la foc (de exemplu, placi din ipsos armat).

In urma studiilor experimentale au fost deduse relatiile rezistentei la foc a sectiunilor din otel protejate cu materiale izolante usoare:

R = (C₁·W/D+C₂)·h          (2)

in care:

R – rezistenta la foc a stalpului din otel (minute);

C₁, C₂ – constante specifice materialului de protectie sau in functie de densitatea protectiei;

W – greutatea stalpului de otel (kg/ml);

D – perimetru incalzit desfasurat (cm);

h – grosimea protectiei contra focului (cm).

O protectie eficienta contra focului, a elementelor structurale din otel se obtine cu ipsos-carton.

Pe baza rezultatelor acumulate in testele la foc, Flemington propune o relatie empirica pentru determinarea rezistentei la foc a stalpilor protejati cu placi din ipsos-carton:

in care:

R – rezistenta la foc in minute;

W’ – greutate/lungime a stalpului din otel si a protectiei din ipsos carton (kg/ml);

h – grosimea protectiei din ipsos carton (cm);

D – perimetrul incalzit desfasurat, definit ca perimetru interior al protectiei la foc – in figura 5, D = 2(a+b).

Greutatea totala a stalpului si a protectiei din ipsos-carton se va determina cu relatia:

W’ = W + 50·hD/144        (4)

in care:

W – greutatea stalpului de otel pe unitatea de lungime (kg/ml).

Celelalte semnificatii sunt identice ca la relatia precedenta.

Pentru imbunatatirea comportarii la foc a placilor de ipsos-carton se va folosi armarea cu fibre anorganice (fibre de sticla).

Fixarea placilor de protectie din ipsos carton se face astfel incat sa se evite desprinderea lor in timpul incendiului.

Impiedicarea cresterii temperaturii elementelor din otel se poate obtine prin placarea cu placi din ipsos armat antifoc sau placi de protectie la foc din ipsos armat.

Placile antifoc au fetele exterioare tratate cu material armat cu fibra de sticla, rezistent la foc.

Rezistenta la foc a elementelor metalice protejate cu ipsos armat este determinata de urmatorii factori:

• masa profilului din otel, caracterizata prin sectiunea A (cm2);
• suprafata expusa caldurii degajate de incendiu, caracterizata prin perimetrul placarii D (cm);
• grosimea protectiei la foc cu placi din ipsos armat sau placi din tencuiala din ipsos h (cm).

Rezistenta la foc este direct proportionala cu sectiunea A si invers proportionala cu perimetrul incalzit D.

Raportul D/A la elementele de constructie din otel este determinant, in vederea stabilirii grosimii necesare placarii si corespunzatoare clasei de rezistenta la foc.

In figura 5 se indica relatii pentru determinarea raportului D/A.

Protectia la foc a grinzilor si stalpilor din otel se realizeaza cu elemente metalice intermediare prinse cu suruburi sau direct cu cleme.

Fixarea cu ajutorul clemelor este mai economica si se foloseste la elemente zvelte.

In figura 6 se prezinta exemple de protectie la foc a peretilor autoportantl cu schelet metalic cu placi din ipsos armat pozate dublu sau triplu, in functie de rezistenta la foc ce trebuie obtinuta. 

(Va urma) 

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

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 166 – ianuarie-februarie 2020, pag. 58