Comportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc

Comportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc

1. Clasificarea materialelor si elementelor de constructie dupa comportarea la foc

Dupa cum se cunoaste, comportarea la foc a constructiilor se apreciaza, in principal, in functie de combustibilitatea si limita de rezistenta la foc a principalelor elemente de constructie.

Prin combustibilitatea materialelor si a elementelor de constructie se intelege capacitatea lor de a se aprinde si a arde in continuare, si de a contribui la cresterea cantitatii de caldura dezvoltata in timpul incendiului.

Din punctul de vedere al combustibilitatii, materialele de constructie se impart, conform NPCI, in trei grupe:

- materialele incombustibile, care sub actiunea flacarii sau a temperaturilor inalte nu se aprind, nu ard mocnit si nu se carbonizeaza.

- materialele greu combustibile, care sub actiunea flacarii sau a temperaturii inalte se aprind greu, ard mocnit sau se carbonizeaza numai in cazul existentei unei surse exterioare de caldura. Dupa indepartarea sursei de initiere, arderea inceteaza la scurt interval de timp.

- materialele combustibile, care sub actiunea flacarii sau a temperaturii inalte se aprind si ard cu flacara sau mocnit si dupa indepartarea sursei de initiere a arderii.

Elementele de constructie se clasifica dupa aceleasi criterii, in functie de proprietatile materialelor din care sunt alcatuite.

Elementele de constructie incombustibile sunt executate numai din materialele incombustibile. Elementele de constructie greu combustibile pot fi executate fie din materiale greu combustibile, fie din materiale combustibile protejate la partea expusa actiunii focului prin placare cu materiale incombustibile. Elementele de constructie combustibile au in componenta sa materiale combustibile care nu sunt protejate contra actiunii flacarii sau a temperaturii inalte, asa incat se pot aprinde si arde independent dupa indepartarea sursei de caldura.

Limita de rezistenta la foc a unui element de constructie este intervalul de timp in care acest element - fiind supus actiunii temperaturii inalte, conform unui program standardizat - isi pastreaza capacitatea portanta si stabilitatea si satisface, atunci cand este necesar conditiile de etanseitate si izolare termica pentru a opune propagarii incendiilor.

Grupa de combustibilitate si limita de rezistenta la foc se determina prin incercari in laboratoare autorizate in acest sens. La randul lor, fabricile producatoare si institutele de cercetari sunt obligate sa ia masuri pentru a determina comportarea la foc a materialelor si elementelor de constructie si instalatiei, pe care le produc sau le cerceteaza, insotind produsele livrate de certificatul ce consemneaza caracteristicile respective.

2. Transmiterea caldurii in elementele de constructie in timpul incendiului

In timpul incendiul caldura se transmite de la focar la elementele de constructie prin convectie si radiatie. In interiorul elementelor de constructie caldura se transmite prin conductie, iar in cazul existentei unor goluri si prin convectie.

Cea mai mare parte din caldura primita la fata incalzita este in primul rand inmagazinata de elementul de constructie. Materialele din care este alcatuit elementul se incalzesc, ridicandu-si treptat temperatura. O anumita cantitate de caldura este cedata mediului ambiant pe fetele neexpuse actiunii focului.

Transmiterea caldurii de la focar sau de la produsele de ardere calde la elementele de constructie, propagarea caldurii in interiorul acestor elemente precum si eventual de la acestea la mediul inconjurator, este un proces complex ce decurge in regim nestationar, temperaturile variind nu numai in spatiu, de la punct la punct, ci si in timp.

Inainte de inceperea incendiului, temperatura elementelor de constructie se deosebeste relativ putin de temperatura mediului ambiant, putand fi considerata practic uniforma si egala cu aceasta. In timpul incendiului, temperatura mediului afectat de incendiu sufera variatii apreciabile. Ca urmare, materialele din care este executata constructi sufera si ele un proces de incalzire neuniforma treptata, urmata de racire.

Temperatura mediului in spatiul incendiat si durata reala a incendiului pot varia in limite mari, in functie de numerosi factori, dintre care natura, cantitatea si modul de asezare a materialelor combustibile, schimbul de gaze in zona focarului (conditiile de ventilare) precum si momentul inceperii actiunii de stingere, joaca un rol de prima importanta.

Rezultatele obtinute prin numeroase experiente, precum si datele inregistrate la incendii reale, au condus la adoptarea un regim standard de variatie a temperaturii in timp de incendiu, care se av utiliza pe plan international la efectuarea incercarilor experimentale de rezistenta la foc a elementelor de constructie. Acest lucru va permite comp[ararea directa a rezultatelor obtinute la experientele izolate, efectuate in diferite tari.

Pentru compararea diferitelor regimuri de temperatura realizate la incendii reale sau experimentale cu cele standard, se poate folosi orientativ metoda compararii suprafetelor cuprinse intre curba de temperatura, axa absciselor si ordonata care reprezinta temperatura la terminarea incendiului.

Durata teoretica a incendiului se ia, de regula, conform NPCI, de 3 sau chiar de mai multe ori. In realitate durata incendiului poate varia in limite largi, in functie de destinatia si incarcarea termica a constructiilor.

Introducerea pe scara larga a unor noi materiale si elemente de constructie usoare, cu sectiuni transversale mai mici comparativ cu cele de tip clasic si adoptarea unor coeficienti de siguranta redusi, impun aprecierea cat mai apropiata de conditiile reale a duratei teoretice a incendiului si alegerea, in functie de aceasta, a rezistentei la foc a diferitelor elemente de constructie.

Calculul teoretic al fluxului de caldura transmis elementelor de constructie in timp de incendiu precum si calculul campurilor de temperatura in interiorul acestora, nu acapatat inca o rezolvare analitica corespunzatoare datorita atat complexitatii fenomenului cat si numarului redus de date experimentale de care se dispune. Acesta este, de altfel, motivul principal pentru care se prefera in prezent calea experimentala de determinare a rezistentei la foc.

Variatia in timp a temperaturii la suprafata sau in interiorul unui element de constructie depinde nu numai de valoarea temperaturii realizata prin ardere ci si de anumite proprietati fizice ale materialelor de constructie.

Modul cum sunt distribuite temperaturile in interiorul elementelor de constructie la un moment dat depinde de forma acestora si de difuzivitatea termica a materialelor din care sunt executate.

Difuzivitatea termica notata cu "a" este o caracteristica a fiecarui material si reprezinta raportul dintre conductivitatea termica λ si produsul dintre caldura specifica sub presiune constanta C_p si densitatea ρ:

a = __λ___ [ m ]

C_p ρ s

Cu cat difuzivitatea va fi mai mare cu atat mai repede vor ajunge, punctele materialului la incalzirea sau racirea lui, la aceeasi temperatura. Dupa cum se vede din relatie, incalzirea in profunzime a materialelor care au o conductivitate termica buna va fi mult mai rapida decat a materialelor cu proprietati de izolare termica. De asemenea, materialele care au caldura specifica si densitati mari, se incalzesc in profunzime mai incet, deoarece straturile superficiale, acumuleaza pentru a-si ridica temperatura, o mare parte din caldura preluata de element prin fetele expuse actiunii focului. De remarcat este si faptul ca atat λ cat si C_p variaza, pentru acelasi material, cu temperatura.

Un rol important il joaca umiditatea materialelor de constructie. Apa libera aflata in porii materialului evaporandu-se influenteaza si ea asupra vitezei de crestere a temperaturilor in masa elementului de constructie. In primul rand trebuie retinut faptul ca umiditatea materialului influenteaza marimea caldurii specifice. Pe masura ce creste umiditatea materialului se mareste caldura specifica a acestuia. Ca urmare, procesul de incalzire in profunzime a materialului umed este intarziat in comparatie cu cel al materialului uscat. Influenta cresterii caldurii specifice la materialele umede este insa diminuata intr-o oarecare masura de faptul ca cresterea umiditatii se mareste si conductivitatea termica a materialului. Nu acelasi lucru se intampla insa cu caldura latenta de vaporizare q_v a apei libere aflata in porii materialului, care ii este transmisa la atingerea temperaturii de 100sC. Aceasta nefiind compensata cu nimic, poate produce o franare considerabila a procesului de incalzire in profunzime. Un rol important asupra comportarii la foc a elementelor de constructie il joaca si permeabilitatea materialului la vapori. In cazul materialelor permeabile, aburul patrunzand in straturile mai reci se condenseaza marindu-le umiditatea si cedand locul acestora caldura latenta de vaporizare. Acest lucru nu accelereaza si nici nu intarzie procesul stabilizarii temperaturilor de 100sC sau mai mari. In cazul materialelor cu permeabilitate redusa la vapori, prin evaporarea apei se creeaza in interior presiuni mari care duc la degradarea instantanee locala - prin explodare a elementului de constructie - denumita cavitatie. Fenomenul de degradare prin cavitatie se intalneste, de exemplu, la betoanele cu granulatie mica cand au umiditate mai mare de 3,5 5% sau la placile de azbociment.

3. Variatia caracteristicilor mecanice ale materialelor la temperaturi inalte

Supuse actiunii temperaturilor inalte, materialele lemnoase se aprind si ard. Ca urmare, elementele de constructie executate din materiale combustibile de acest gen se distrug in timpul incendiului, in primul rand ca urmare a micsorarii sectiunii lor transversale determinata de arderea materialului.

Numeroasele materiale si in special produsele din polimeri se inmoaie devenind plastice se topesc sau sufera procese de degradare termica la temperaturi relativ scazute, pierzandu-si astfel rezistenta mecanica.

Chiar si proprietatile mecanice ale materialelor incombustibile sufera modificari insemnate sub actiunea temperaturilor inalte ce iau nastere in caz de incendiu.

La atingerea unor temperaturi critice, proprietatile mecanice ale materialelor de constructie (rezistenta, elasticitate, etc.) se modifica in asemenea masura incat elementele de constructie cedeaza, se rup sau capata deformatii plastice mari care le pun in pericol stabilitatea.

Otelurile utilizate in constructii au temperaturile critice cuprinse intre 500 si 600sC, cu exceptia celor trase la rece (cum este cazul sarmei de mare rezistenta) a caror temperatura critica este mult mai scazuta. Elementele din metal neprotejat datorita conductivitatii ridicate, se incalzesc repede. Din aceasta cauza ele au o rezistenta la foc redusa.

Prin incalzirea betonului peste 300sC se produceo scadere accentuata a rezistentei lui de rupere. Temperatura critica a betonului depinde de tipul acestuia si in special de natura agregatelor utilizate. Pentru beton cu ciment portland si piatra sparta de granit ea este de cca 500sC, iar pentru cel cu piatra de calcar de 600sC. Ca urmare rezistenta la foc a elementelor din beton armat este determinata, in general, de cedarea armaturilor deci de intervalul de timp necesar pentru incalzirea pana la temperatura critica a armaturii de rezistenta.

Rezistenta de rupere a elementelor de beton armat se reduce si ca urmare a faptului ca incepand de la 100sC aderenta armaturilor netede la beton obisnuit scade foarte mult, suprimandu-se complet la temperaturi mai mari de 450sC. La armaturile cu profil variabil aderenta la aceasta temperatura ea insa de 75% din cea initiala.

Ca urmare a incalzirii neuniforme, in interiorul elementelor de constructie iau nastere eforturi mari care pot duce la degradarea sau chiar distrugerea constructiei.

In concluzie, pentru asigurarea la foc a elementelor de constructie o mare importanta o are alegerea unor materiale adecvate sau protejarea lor prin tencuire sau placare cu straturi de protectie termica.

4. Studiul experimental al comportarii la foc.

Metode de incercare a materialelor si elementelor de constructie

Un volum bogat si variat de informatii se obtin de catre pompieri prin observatii efectuate la incediile reale sau prin cercetarea, imediat dupa stingere, a cauzelor si efectelor incendiilor asupra constructiilor si instalatiilor.

Necesitatea stabilirii rationale a domeniului de folosire a noilor materiale si elemente de constructie a impus insa si dezvoltarea studiului experimental al comportarii la foc in conditii standardizate de laborator.

a) Metode de determinare a combustibilitatii materialelor de constructii:

Pentru determinarea in laborator a materialelor care se incadreaza in grupa materialelor incombustibile se foloseste un cuptor.

Cuptorul are o camera de combustie cilindrica ai carei pereti sunt alcatuiti dintr-un tub ceramic cu diametrul interior de 75 mm si inaltimea de 150 mm prevazut la exterior cu o rezistenta electrica executata astfel incat sa asigure la jumatatea tubului o zona de temperatura constanta (cu abatere de 5sC) pe o inaltime de cel putin 60 mm. Camera de combustie a cuptorului este deschisa la partea superioara astfel incat fenomenele de ardere pot fi observate si vizual. Pentru a se reduce influenta curentilor de aer asupra arderii, tubul are atasat etans la partea inferioara un difuzor tronconic vertical cu orificiul inferior de armisie a aerului 9 mm si un ecran protector asezat in jurul picioarelor cuptorului. La partea superioara este fixat un ecran cilindric de 50 mm latime.

Din materialul care trebuie incarcat se confectioneaza 3 epruvete de 40 x 40 x 50 mm, astfel incat sa fie cat mai mult posibil reprezentative in ceea ce priveste proprietatile materialului trimis spre incercare.

Inainte de incercare, cuptorul se incalzeste la temperatura de 750sC 10sC. Epruveta de material asezata intr-un cosulet port-epruveta este introdusa cu ajutorul unui dispozitiv de sustinere in cuptor, in interval de cel mult 5 secunde. Incercarea dureaza 20 de minute. In timpul incercarii se observa daca apar flacari si se cronometreaza durata lor. De asemenea se masoara cu ajutorul unor termocuple variatia temperaturii in cuptor si in interiorul epruvetei.

Materialul se considera incombustibil numai daca in timpul incercarii celor trei epruvete temperatura in cuptor sau in interiorul epruvetei nu s-a urcat cu 50sC sau mai mult peste temperatura intiala a cuptorului si daca nu au aparut flacari cu durata de 10 secunde sau mai mult.

Daca in urma incercarilor rezulta ca materialul nu poate fi considerat incombustibil, el este supus la incercari prin metode pentru a fi clasificat in grupa materialelor greu combustibile sau combustibile.

Cuptorul pentru determinarea incombustibilitatii conform STAS 3558 - 70: tub refractar; rezistenta electrica; strat izolator termic; cutie de protectie exterioara; difuzor tronconic vertical; ecran cilindric; picioarele cuptorului; ecran protector; dispozitiv pentru sustinerea si introducerea epruvetei; port epruveta; tub vertical lateral; brat metalic; termocuplul cuptorului; termocuplul epruvetei.

Din cele expuse mai sus rezulta ca in grupa materialelor incombustibile intra si materialele care au o combustibilitate redusa, care au practic un efect neglijabil in caz de incendiu.

Pentru determinarea materialelor care intra in grupa materialelor greu combustibile se utilizeaza in prezent doua metode: metoda tevii de foc si metoda calorimetrica.

Metoda tevii de foc se utilizeaza pentru o prima selectionare a materialelor susceptibile de a fi clasificate ca greu combustibile.

Dispozitivul de incercare se compune dintr-un tub cu diametrul de 50 (60) mm si inaltimea de 165 (290) mm, fixat pe stativ.

Epruvetele de material cu inaltimea de 150 mm, latimea de 31 - 35 mm si grosimea de cel mult 10 mm se fixeaza in axul tubului cu ajutorul unei sarme, astfel incat capatul inferior sa iasa din teava cu 5 mm. Sub epruveta, la distanta de 10 mm se asaza un arzator de gaz 7 mm cu flacara de 40 mm lungime. Epruveta este expusa actiunii flacarii timp de 2 minute, dupa care se indeparteaza arzatorul. Se fac observatii atat cu privire la timpul de ardere independenta (cu flacara sau mocnita) dupa indepartarea sursei de initiere, cat si cu privire la pierderea in greutate a materialului, prin cantarirea epruvetei inainte si dupa incercare.

Pentru fiecare material se incearca 3 sau 6 epruvete.

Daca dupa indepartarea sursei de aprindere, materialul continua sa arda sau daca pierderea in greutate a fost mai mare de 20% materialul este considerat combustibil.

Intrucat incercarea cu teava de foc se face numai prin expunerea materialului actiunii flacarii nu si a temperaturii inalte, pentru a se obtine o confirmare caracteristicilor greu combustibile ale materialelor de constructie se utilizeaza metoda calorimetrica care necesita un aparataj mai complex si un timp de lucru mai indelungat.

Pentru incercare se foloseste instalatia calorimetrica, care este formata din: vas calorimetric in care se produce arderea epruvetei, incalzitor electric, arzator cu gaze, reostat pentru reglarea curentului electric, wattmetru, electromotorul agitatorului cu reostat de reglare, reometru pentru determinarea consumului de gaz, contor de gaz (umed) pentru gradarea reometrului, termometru, filtru pentru gazele arse, manometru pentru controlul presiunii din calorimetru, reometru pentru determinarea cantitatii de gaze aspirate din calorimetru, reometru pentru determinarea cantitatii de aer introdus in calorimetru, recipient pentru spalarea gazelor evacuate, recipient tampon pentru gazele evacuate, pompa de vacuum pentru aspirarea gazelor din calorimetru, suflanta pentru introducerea aerului, robinete de reglare, robinete de inchidere.

Vasul calorimetric este format din: camera de combustie, camasa interioara de apa, camasa exterioara de apa, ecran de aluminiu, fundul port epruveta al calorimetrului, conducta cu orificii pentru introducerea aerului, arzator de gaze, incalzitor electric, placi reflectoare, ecran deflector, tevi pentru evacuarea gazelor, capacul vasului calorimetric, conducta de aspiratie a gazelor, stut pentru introducerea agitatorului, stut pentru introducerea termometrelor, agitator, termometru, fereastra de control, conducta pentru manometru. El se executa din tabla de cupru si se compune dintr-o camera de combustie, un invelis interior de apa prevazut cu agitator si un invelis de apa, exterior. La partea superioara, camera de combustie este prevazuta cu un ecran si tevi de evacuare a gazelor arse, iar la partea inferioara cu un capac etans. Pe acest capac se monteaza un arzator de gaz, o conducta cu orificii pentru introducerea aerului, o rezistenta electrica si o conducta de legatura la manometrul de masurare a presiunii. Pentru observarea vizuala a fenomenelor de ardere, vasul este prevazut lateral cu un vizor cu geam etans.

Epruveta de material cu inaltimea de 75 - 80 mm, latimea de 31 - 35 mm si grosimea de cel mult 10 mm se introduce in camera de combustie fixata astfel incat distanta intre partea ei inferioara si arzator sa fie de 8 mm. Dupa inchiderea etansa a capacului inferior, se trimite in vasul calorimetric o cantitate de 30 l aer pe minut reglandu-se evacuarea aerului, astfel incat sa se creeeze in camera de combustie o depresiune de 3 mm H₂O.

Se lasa sa se echilibreze temperatura apei in cele doua invelisuri si dupa aceea se conecteaza circuitul de alimentare a rezistentei electrice. Dupa 10 secunde se alimenteaza arzatorul de gaz cu un debit de 5 l/min si se mentine in functiune pana cand prin vizor se observa ca epruveta s-a aprins. Dupa aceea se intrerupe alimentarea cu energie electrica si gaze. Se masoara variatia temperaturii invelisului interior de apa si se calculeaza cantitatea de caldura introdusa in calorimetru si cea degajata prin arderea epruvetei.

Notand cu q_d caldura degajata de epruveta si cu q_i caldura utilizata pentru initierea arderii (caldura degajata de rezistenta electrica si cea produsa prin arderea gazului) se calculeaza coeficientul k din relatia:

k = q_d

q_i

Incercarea se executa pe 6 epruvete pentru materialele utilizate in constructii civile si industriale si pe 10 epruvete pentru cele utilizate la constructia navelor, variind de fiecare data cantitatea de caldura introdusa in calorimetru (timpul de incalzire a rezistentei si arderea becului de gaz).

Clasificarea se face in functie de valoarea maxima a coeficientului k astfel:

k ≤ 0,5 materiale greu combustibile;

k > 0,5 materiale combustibile.

b) Metode de determinare a limitei de rezistenta la foc. Metoda ideala de determinare a rezistentei la foc a unei constructii ar fi incercarea ei in marime reala. Acest lucru nu este insa practic posbil datorita costului ridicat si duratei mari a incercarilor. Pentru a se evita aceste neajunsuri, in ultimul timp s-a dezvoltat in multe tari metoda studierii comportarii la foc a constructiilor pe modele reduse.

In mod curent se foloseste insa metoda determinarii limitei de rezistenta la la foc a elementelor de constructie se determina in laboratorul de rezistenta la foc creat in cadrul Institutului de cercetari pentru constructii si economia constructiilor INCERC, dupa metoda prevazuta in STAS 7771 - 67. In prezent laboratorul dispune de un cuptor pentru incercarea elementelor orizontale si un cuptor pentru elemente verticale.

Urmeaza sa se realizeze un turn pentru studiul propagarii incendiilor pe fatade si prin golurile din interiorul constructiilor precum si cuptoare speciale de incercari (grinzi, stalpi etc.).

Limita de rezistenta la foc se determina (dupa criterii de stabilitate, etanseitate si izolare termica) prin incercarea elementelor de constructie, sub sarcina, la o temperatura care sa varieze in timp, cat mai exact posibil, dupa expresia:

T - T₀ = 345 log₁₀ (8 t + 1)

in care,

T este temperatura cuptorului masurata cu termocuple situate la distanta de 10 cm de elementul de constructie in sC;

T₀ - temperatura initiala a cuptorului, in sC;

t - timpul scurs de la inceputul incercarii, in minute.

Stalpii, grinzile si fermele se expun actiunii uniforma a focului pe toate fetele si pe toata lungimea si inaltimea lor, in timp ce elementele despartitoare (pereti, plansee) se expun incalzirii numai pe una din fete.

Probele sunt expuse incalzirii in cuptor pana cand ating starea limita a capacitatii lor portante si nu mai pot face fata rolului pentru care sunt destinate in constructie. Pentru toate elementele de constuctie criteriul de stabilitate nu mai este satisfacut daca acestea se prabusesc sau capata deformatii plastice care depasesc valorile maxime admise. Astfel, pentru grinzi si elemente de planseu sau acoperis, deformatiile maxime admise sunt depasite atunci cand raportul dintre sageata maxima si lungimea lor libera este de _1_ . _1_ .

Datorita faptului ca rezistenta betonului dupa racire poate fi mai mica decat a betonului in stare incalzita, este important ca la incercarea elementelor din beton acestea sa fie mentinute sub sarcina si in timpul perioadei de racire.

Pentru elementele de compartimentare interioara a constructiei criteriul de etanseitate nu mai este indeplinit daca in ele se formeaza crapaturi sau alte deschideri prin care pot trece flacari sau gaze calde, iar criteriul de izolare termica atunci cand se produce o incalzire periculoasa de pe fata neexpusa actiunii directe a focului (de exemplu temperatura medie crescand cu mai mult de 140sC sau temperatura maxima depasind cu mai mult de 180sC temperatura initiala).