Acél könnyűszerkezetek tűzvédelmi aktualitásai

Ugyancsak a fő okok közé tartozik a hazai tűzvédelmi követelményrendszer (ld. Országos Tűzvédelmi Szabályzat: „OTSZ”) többlépcsős felállítása, amelynek a következő hivatalos verziója („OTSZ 5.0”) hamarosan hatályba fog lépni.

Jelen cikkben először rövid, általános szakmai összefoglalást írunk az acél anyag viselkedéséről tűzteher esetén, majd a Lindab által gyártott termékek és épületszerkezetek vonatkozásában, a mindennapi munkák során gyakran előforduló néhány aktuális alkalmazást és tűzvédelmi vonatkozásait mutatjuk be.

1. Szakmai háttér: az acél és a tűzhatás

1.1 Az acél mint építőipari alapanyag

Az acél felhasználása a magasépítési szerkezetek anyagaként történelmi időkbe nyúlik vissza. Nagyon kedvező anyagtulajdonságait (magas szakítószilárdság, szívósság, alakíthatóság) elsősorban tartószerkezeti funkcióknál tudjuk kihasználni, az acél szerkezetek a saját súlyuk többszörösét képesek hasznos teherként hordani, illetve kiválóan alkalmasak nagy fesztávok áthidalására is.

Ugyanakkor az acél fizikai jellemzői más szempontból kevésbé kedvezőek, amit a felhasználáskor szintén figyelembe kell venni. Bizonyos anyagtulajdonságokat acélgyártáskor megfelelő ötvözők bevitelével lehet javítani (pl. fáradt-, ill. ridegtörés veszélyének csökkentése; korrózió elleni védelem). Továbbá ismert tény, hogy az acél kedvezőtlenül jó hővezető anyag (lambda-értéke ~50 W/mK), ezért az ilyen szerkezetű épületek megfelelő hőszigetelése érdekében körültekintő konstrukciós kialakításra van szükség (hőhidak csökkentése, kiküszöbölése). Végül említésre méltó anyagtulajdonsága az acél anyagnak, hogy a normál környezeti viszonyok esetén igen kedvező mechanikai és szilárdsági jellemzők magas hőmérsékleten – pl. tűzteher esetén – számottevően csökkennek.

1.2 Az acél viselkedése tűz esetén

Először is fontos tudni, hogy az acél anyag, mint a legtöbb fém, alapvetően nem éghető, azaz nem járul hozzá a tűz továbbterjedéséhez (MSZ EN13501-1 szabvány szerinti jelöléssel A1 osztályú). Ebből a szempontból a legkedvezőbb építőanyagok közé tartozik.

Azonban az acél anyag szilárdsági és rugalmassági anyagjellemezői (szakítószilárdság, folyáshatár, rugalmassági modulus) kb. 100-200 °C hőmérsékleten fokozatosan és jelentősen veszíteni kezdenek a szobahőmérsékleten mérhető értékükből, és kb. 600-800°C-ig egyenletesen esnek le az eredeti érték ~15-20%-ra. A hőmérséklet további növelése mellett a maradék szilárdság fokozatosan csökken tovább, végül gyakorlatilag megszűnik az acél olvadáspontjának elérésével (~1500°C). A legnagyobb mértékű szilárdság-csökkenés általában a 400-600°C közötti hőmérséklet-tartományban tapasztalható. Az anyagjellemzők hőmérséklettől függő értékét a szabványok a szobahőmérsékleten értelmezett, kezdeti értékből egy csökkentő (redukciós) tényezővel való szorzással származtatják (1. ábra).

Ez a degradálódási jelenség az oka, hogy – az éghetőségi kategóriával ellentétben – az acél anyagú szerkezetek tűzállósági tulajdonságai, azaz az anyag lényeges fizikai jellemzőinek a változása a tűzhatás alatt, már kedvezőtlenebbek. Azonban azt is tudni kell, hogy a „tűzállóság” pontos meghatározása több fontos tényezőtől is függ, ezért tervezhető módon fejleszthető, növelhető! A vonatkozó szabvány (MSZ EN 13501-2) az építőanyagok és épületszerkezetek tűzállósági teljesítményét nemcsak a „tűzállósági időtartamban” adja meg (pl. 15, 30, 45perc stb.), hanem az előzőek értelmében hozzá kell tenni az adott szerkezeti funkcióban fontos fizikai jellemző(ke)t is, amely tulajdonság(ok)ra vonatkozik a tűzállóság. A teljesség igénye nélkül, a magasépítési szerkezetek tűzállóságánál leggyakrabban előforduló tulajdonságok:

• a rúd- és felületszerkezetekre egyaránt értelmezhető teherbíró képesség („R”), valamint
• a csak felületszerkezetek esetén releváns integritás vagy anyagi folytonosság („E”) és a hőszigetelő képesség („I”).

Így áll elő egy adott szerkezeti elemre, hogy a tűzállósági teljesítménye pl. „R15” vagy „REI30”. A tűzállósági teljesítmény OTSZ szerint meghatározható akkreditált intézmény által végzett labortesztek alapján vagy Eurocode szerint számítással.

Egy adott acél szerkezeti elem tűzállósága jellemezhető egy kritikus hőmérséklettel is, amelynél pl. egy tartószerkezeti elem elveszti a teherbírását, határállapotba kerül. A kritikus hőmérséklet függ az igénybevételektől az adott pillanatban ráható terhek hatására, a tartó keresztmetszetének alakjától és a közvetlen tűzzel való érintkezést megakadályozó burkolatok fajtájától, a tűzvédelem módjától. A keresztmetszet alakját jellemző paraméter az ún. szelvénytényező, amely az adott keresztmeszet kerületének és területének a hányadosa (U/A). Minél nagyobb a szelvénytényező, fajlagosan annál nagyobb felületen éri a tűz a profilt, azaz annál hamarabb éri el az acél profil a kritikus hőmérsékletet. Ezt a hatást mérsékli a keresztmetszet egy vagy több oldalán elhelyezett, hosszabb tűzvédelmet biztosító szerkezeti elem, burkolat, vagy felvitt tűzvédő festés, amely a hő egy részét elvezeti, illetve megakadályozza a közvetlen tűzhatást.

Elvileg léteznek számítási modellek, amely alapján az előző paraméterek figyelembevételével lehet konkrétan meghatározni a kritikus hőmérsékletet. Szakirodalom szerint melegen hengerelt acélprofilok kritikus hőmérséklete 500-600°C között, „vékonyfalú” (azaz 5mm-nél kisebb falvastagságú) szelvényeké 350-450°C tartományban alakul. Az Eurocode szabvány melegenhengerelt, 1-2. osztályú („zömök”) keresztmetszetek esetére kezelhető eljárást ad a kritikus hőmérséklet számítására; a 4. keresztmetszeti osztályú és a hidegen hengerelt („karcsú”) acél profilokra viszont konzervatív módon 350°C értéket ír elő, míg pl. brit vagy skandináv előírások a nyomott oszlopok esetén 450°C, hajlított gerendák esetén pedig 500°C-ot engednek meg, kutatási eredményekre alapozva.

Mindezek rávilágítanak arra, hogy az acél szerkezetek tűzállósága igen összetett, sok tényezőtől függő tulajdonság, ezért annak értelmezése, meghatározása, tervezése mély szakmai hátteret és az adott beépítés körülményeinek részletes ismeretét is igényli.

2. Alkalmazási példák és tűzvédelmi vonatkozások

2.1 Teherhordó trapézlemezes lapostető

A több ezer m2 alapterületű, lapostetős ipari és kereskedelemi épületek egyik legkedveltebb tetőfödém szerkezete a teherhordó acél trapézlemezre épített, egyenes rétegrendű, vízhatlan csapadékszigeteléssel lezárt, hőszigetelt, szerelt könnyűszerkezetes megoldás (2. ábra). Ezen szerkezetek tűzvédelmi követelményére az OTSZ mint komplett többrétegű épületszerkezeti elemre külön fogalmaz meg előírást, mind a tűzvédelmi osztályra, mind a tűzállósági teljesítményre nézve.

A Lindab gyártású teherhordó magasprofilok alkalmazásával készülő ilyen típusú födémekre számos tűzállósági laborvizsgálat került megvalósításra az utóbbi években (3. ábra), a hőszigetelés-gyártó cégekkel közös kutatás-fejlesztési programok révén, azzal a céllal, hogy az aktuális tűzvédelmi szabályok szerint minél pontosabban, részletesebben álljanak rendelkezésre a tűzvédelmi eredmények, információk, amelyek alapján adott épületben a megkívánt tűzbiztonsági szintnek megfelelő és gazdaságos szerkezet betervezhető és megépíthető legyen.

A Lindab gyártású teherhordó trapézlemezekkel (LTP85 és LTP150 „magasprofilokkal”) készülő lapostetős csarnokfödémek között immár számos rétegrend rendelkezik 15 vagy 30 perces tűzállósági teljesítménnyel. A minősítésekben (A-218/2007 sz. ÉME engedély, TMI-4/2013) megtalálható a rétegrendek pontos leírása, a tűzvédelmi paraméterek és az alkalmazási feltételek is, amely lehetővé teszi a műszakilag megfelelő és gazdaságos tervezést. Ízelítőül néhány példa:

• már 8cm-es kőzetgyapot hőszigeteléssel A2, REI15 tűzvédelmi teljesítmény (temperált ipari csarnokokhoz: U=~0,45W/m2K)
• 15-16 cm kőzetgyapottal A2, REI15 és REI30 (magas tűzvédelmi követelmények és átlagos hőtechnikai esetén, U=~0,24-0,25W/m2K),
• vegyes anyagú hőszigetelésekkel B, REI15 és REI30 (kombinált megoldások különböző hőtechnikai és tűzvédelmi igények gazdaságos kielégítésére).

Az alkalmazási feltételek között nagyon fontos statikai szempont, hogy az elvégzett tűzvizsgálat milyen fesztávon és terhelés mellett történt! A vizsgálati jegyzőkönyvekben vagy minősítésekben, igazolásokban (ÉME, TMI) ennek a feltételnek szerepelni kell, és ezt tervezéskor, alkalmazáskor figyelembe is kell venni! A Lindab trapézlemezes födémek tűzállósági alkalmazási feltételei az elvégzett labortesztek mérnöki módszerekkel történő kiterjesztésével táblázatosan lettek meghatározva (lemezvastagság, tűzzel egyidejű teher és fesztáv függvényében), amely így nagyon széleskörű felhasználást tesz lehetővé (4. ábra). A tűzzel egyidejű terhet a statikus tervezőnek kell meghatároznia Eurocode (MSZ EN 1991-1-2) szerinti rendkívüli teherállapotban, a födémre ható állandó és esetleges terhek, valamint azok kombinációs („egyidejűségi”) tényezőinek ismeretében!

Természetesen, az említett födémszerkezet tűzvédelmi megfelelősége mellett nem kevésbé fontos a normál hőmérsékleten történő tartószerkezeti (statikai) tervezés, a hő- és páratechnika vagy éppen a csapadékvíz-elvezetés helyes méretezése sem, ezért minden esetben a felelős tervező feladata a végeredményként kiválasztott megoldás meghatározása. A Lindab teherhordó trapézlemezek optimális statikai méretezését tervezési segédletek és szoftverek (Dimroof) segítik és gyorsítják.

2.2 Lindab vékonyfalú Z-/C-szelemenek

A hidegenhengerelt, vékonyfalú (1…3 mm lemezvastagságú), tűzihorganyzott acél szelvények tipikus gyakorlati alkalmazási területe a csarnokszerkezetek másodlagos tartószerkezeti rendszere, azaz tetőszelemenek és falváztartók funkciójában történik (5. ábra). Az ilyen másodlagos tartószerkezeti elemek tűzvédelmi megfelelőségével kapcsolatban sok kérdés merül fel a szakmán belül a napi gyakorlat során.

Már a követelmények meghatározása sem egyértelmű a jelenlegi OTSZ (28/2011. (IX. 6.) BM rendelet) építészeti fogalom-meghatározásai alapján, hova is tartozik a szelemen: a tartószerkezet vagy a térelhatároló szerkezet része? Az OTSZ pontos fogalom-meghatározásai szerint:

„31. Tetőfödém tartószerkezetei: a tetőfödém mindazon szerkezeti részei, amelyek tönkremenetele általános vagy nagy területre kiterjedő épületomlás, vagy a tetőfödém jelentős szakaszának beomlását idézik elő (főtartók, fióktartók), valamint a nagytömegű – általában nem könnyűszerkezetes – teherhordó térlefedő szerkezetek, melyek omlása egyéb szerkezeti károkat (az alattuk lévő födémek átszakítását) okozhatják.”
„32. Tetőfödém térelhatároló szerkezete: a tetőfödém tartószerkezeteire támaszkodó könnyűszerkezetes, réteges felépítésű, legfeljebb 60 kg/m2 felülettömegű szerkezetek (önhordó) rétegei. Az állandó terhelésbe valamennyi tetőréteget, valamint a ráfüggesztett és rátett dolgok terhét is bele kell számolni.”

Az adja a nehézséget, hogy a fenti meghatározásba a másodlagos teherviselő elemek, mint pl. szelemenek vagy falváztartók, egyértelműen (szó szerint) egyik fogalomba sem sorolhatók be, ezért az épület globális tartó- és épületszerkezeti rendszerét kell ismerni ahhoz, hogy helyesen határozhassuk meg a szelemenekre vonatkozó követelményt. Ugyanis:

• ha a szelemen részt vesz a főtartó keretszerkezet állékonyságának, stabilitásának biztosításában (másképpen fogalmazva: a tönkremenetele a főtartó tönkremenetelét is okozza), akkor az OTSZ fogalmai szerint „tartószerkezetnek” definiálandó;
• ha viszont nem vesz részt benne, mert pl. a keretek vállában és taréjban hosszirányú acél szerkezeti elemek futnak végig (amelyek megfelelő merevítő rendszerbe, szélrácsba kötnek be), akkor a szelemen szerepe „csak” a tetőhéjazat alátámasztása (másképpen: a tönkremenetele nem okozza a főtartó keretszerkezet tönkremenetelét), akkor pedig az OTSZ fogalmai alapján a „térelhatároló szerkezet” részének tekintendő!

Egyértelmű, hogy az első esetben szigorúbb tűzvédelmi követelmények vonatkoznak a szelemenre, viszont megfelelő tervezéssel meg lehet „takarítani” a merevítő rendszer bizonyos elemeit. Azt, hogy a másodlagos teherhordó elemek melyik csoportba tartoznak egy konkrét csarnoképület esetén, csakis a felelős statikus tervező határozhatja meg, itt is fontos tehát a statikus tervező közreműködése a tűzvédelmi tervezésben is!

A másik oldalon pedig a következő kérdés a vékonyfalú acél szelvények tűzvédelmi teljesítményértéke. A tűzvédelmi osztály az egyszerűbb, hiszen a tűzihorganyzott acél alapanyag külön vizsgálat nélkül a legjobb „A1” (nem éghető) osztályba tartozik. De mi a helyzet a vékonyfalú acél szelemenek tűzállósági teljesítményével? A 2008 előtti OTSZ és MSZ szabványok külön vizsgálat nélkül, konzervatív módon deklarálták, hogy az 5mm-nél vékonyabb acél szelvények tűzállósági határértéke 0,2 óra (12 perc), ami részletesebben vizsgálva a jelenséget ugyanúgy nem igaz, mint ahogy az sem, hogy legalább 5mm vastag alkotójú acél profilok pedig minden esetben teljesítik a 15 perces tűzállóságot (R15). Hiszen az acél tartószerkezetek tűzállósága, mint rendkívüli határállapot elérése, számos tényezőtől függ (ld. 1.2. fejezetet).

A külön védelem nélküli, tűzhatásnak minden felületén kitett Lindab vékonyfalú szelvények 15 perces (R15) tűzállóságának igazolására a cég Eurocode szerinti méretezési segédletet és táblázatokat dolgozott ki, amely a tervezők rendelkezésére áll (6. ábra). Lényege, hogy a biztonság javára tett közelítéssel a szelemen minden keresztmetszetére, minden felületére a hossza mentén konstans hőmérsékletű tűzhatás működik a szabványos ISO834 tűzgörbe szerint. Ennek hatására, az Eurocode szabvány szerint megadott csökkentő tényezők alkalmazásával redukált keresztmetszeti jellemzőket és teherbírási értékeket meghatároztuk. Az Eurocode előírja a tűzhatás esetén (rendkívüli határállapotban) történő statikai igazolás folyamatát, a teherfelvételt és a teherbírás meghatározását adott idejű tűzhatás esetén. A Lindab segédlettel a tervezés rendkívül leegyszerűsödik, hiszen a teherbírási értékek előre meg vannak határozva a 15 perces (R15) tűzállóság esetére, így a tervező feladata lecsökken a tűzzel egyidejű terhek meghatározása és a megfelelő szelvény kiválasztása. A segédlettel történő tervezés lehetősége a Lindab tartószerkezeti elemekhez készült Tűzvédelmi Megfelelőségi Igazolásban (TMI-211/2008-2010) is szerepel.

A védelem nélküli szelemenek 15 percnél magasabb tűzállóságot (R30, R45) nem, vagy legalábbis gazdaságosan egész biztosan nem tudnak teljesíteni. (Pl. egy drasztikusan túlméretezett szelemen, nagy profilméretekkel, kis fesztávval és nagyon kis tűzzel egyidejű terhelés esetén akár teljesíthetne is 30 percet! Csakhogy ezt már gazdasági szempontból nincsen értelme vizsgálni sem.) Ilyen esetekben vagy minősített tűzgátló festést kell alkalmazni, vagy szintén minősített tűzgátló lapokkal kell elburkolni.

Meg kell említeni, hogy amennyiben a vékonyfalú szelemen vagy falváztartó kéthéjú, szerelt, hőszigetelt tető- vagy falszerkezet integrált része, és így nincs közvetlen tűzhatásnak kitéve (a kitöltő hőszigetelés és a belső burkolatok révén), akkor természetesen a 15 percnél jóval magasabb tűzállósági teljesítmény is elérhető. A Lindab vékonyfalú acél szelvényekre épített hőszigetelt felületszerkezetekkel számos tűzállósági laborvizsgálatot végeztünk, mind födém-, mind falszerkezet esetén. A Lindab kéthéjú trapézlemezes hőszigetelt csarnokfödém REI15, a csarnokfal pedig EI30 ill. E60 tűzállósági eredményekkel rendelkezik. Perforált gerincű Lindab acél profilokból készülő, hőszigetelt, 1-1 ill. 2-2 rtg. gipszrostlappal burkolt falszerkezetek REI30 ill. REI60 tűzállósági teljesítményt nyújtanak, teherhordó főfalként is minősített szerkezet (7. ábra).

Kotormán István, Lindab Kft.