Passiivinen palosuojaus ja lämpötilan rajoittamisen merkitys teräsrakenteelle

Kaikki materiaalit heikkenevät kuumentuessaan, eikä rakenneteräs ole poikkeus. Suunnitellusta rakenteesta riippuen teräksellä on raja- tai kriittinen lämpötila. Mitä tämä tarkoittaa ja miksi se on tärkeää? Miten se vaikuttaa tarvittavaan palosuojaukseen ja palosuojauksen määrään?

Teräksen lujuus korkeassa lämpötilassa on hyvin tunnistettu ja dokumentoitu. Tiedetään myös, että teräksen lämpötilan noustessa yli 500°C kuumavalssattu teräs menettää suuren osan lujuudestaan ja kuormituskyvystään.

Kantavat teräsrakenteet voidaan suunnitella siten, että teräsrakenteeseen kohdistuva enimmäiskuormitus on rajoitettu 60 % niiden yksilöllisestä enimmäiskuormitus kapasiteetistaan. Tämä 40 %:n redundanssi takaa teräsrungon lujuuden säilymisen epätavallisissa tilanteissa, kuten tulipalossa. Teräsrakenteen massiivisuuden, muodon ja sijainnin mukaisesti tämä lisäkapasiteetti voi vastata laskennallista 550 °C:n raja-/kriittistä lämpötilaa, mutta ei ylittää sitä. Tämä tarkoittaa sitä, että yli 550 °C:n lämpötilassa rakenneteräs ei ole riittävän vahva kannattelemaan tukemaansa rakennetta. Tämä on rajalämpötila tai kriittinen lämpötila.

• Jos terästä kuormitetaan yli 60 %, raja-/kriittinen lämpötila laskee.
• Jos terästä kuormitetaan alle 60 %, raja-/kriittinen lämpötila nousee.

Lisätietoja saat  alla olevasta infografiikastamme.

Edellä olevasta esimerkistä käy ilmi, että jos 550 °C:n lämpötila on rajalämpötila/kriittinen lämpötila ennen rakenteen romahtamista, tyypilliset lämpötilaprofiilit ovat alla olevan kaavion mukaiset:

• BS EN 1363-1  -Lämpötilakäyrä/ standardi palokäyrä ( sininen käyrä)

• Palosuojamaalilla pinnoitettu teräs  ( vihreä käyrä)

• suojaamaton paljas teräs  (punainen käyrä)

Palonsuojamaali alkaa suojata merkittävästi teräsrakennetta lämpötilan ollessa noin 250 – 270 °C, mikä yleensä tapahtuu noin 10 minuuttia tulipalon alkamisen jälkeen. Tässä vaiheessa voimme ensimmäisenä havaita palosuojamaalissa tapahtuvan reaktion. Reaktion johdosta palosuojamaali muuntuu maalikalvosta eristäväksi hiilikerrokseksi.

Kun hiilikerros on syntynyt ja se on paikallaan, se luo eristekerroksen teräsrakenteen pinnalle. Eristekerros hidastaa lämmön muodostumista teräksen ytimessä. Riippumatta palonsuojamaalikerroksen paksuudesta käyrä on yleensä muodoltaan sama. Mutta mitä paksumpi palosuojamaalikerros on, sitä pitkänomaisempi, vihreä käyrä on. Tämä tarkoittaa sitä, että rajalämpötilan/kriittisen lämpötilan saavuttamiseen kuluu enemmän aikaa. Tarvittava lisäaika jaettuna teräksen kriittisen sisälämpötilan (CCT) suhteen erolla, saadaan tekijä vaaditun palosuojamaalikerroksen määrittelyyn.

Esimerkki:

• 60 minuutin palosuojaus, kun kriittinen lämpötila on 350 °C:  
• 50 minuutin lisääminen 80 °C:n lisälämpötilasuojausta varten (Perustuu lämpötilaan 270 °C, jolloin palosuojamaali on muuntunut suojaavaksi hiilikerrokseksi.) = 50/80 = 0,625

Toinen esimerkki:

• 60 minuutin suojaus, kun kriittinen lämpötila on 750 °C:
• 50 minuutin lisääminen 480 °C:n lisälämpötilasuojausta varten = 50/480 = 0,104

Nämä eivät ole absoluuttisia arvoja, vaan osoitus siitä, että käytettäessä samaa palosuojamaalia, saman teräsprofiilin suojaamiseen 60 minuutin ajan, kriittisen lämpötilan ollessa 350 °C. Tarvitaan noin 6 kertaa paksumpi palosuojamaalikerros verrattuna siihen, että kriittinen lämpötila olisi 750 °C.

Nullifire palosuojamaalien  ETA-asiakirjoissa on taulukot, joihin on kirjattuna oikeat arvioidut palosuojamaalin kerrosvahvuudet vaaditulle palonkestoajalle. Taulukoissa ei aina näy tätä edellä osoitettua 6:n kerrointa, koska palosuojamaalin suorituskyky ei ole aina lineaarinen esimerkin esittämällä tavalla.

Palosuojamaalin suorituskyky vaihtelee tuotteen mukaan, teräsprofiilin ja palonkestoaikojen mukaan, minkä vuoksi suorituskykyä ei voi suoraan mallintaa. Suorituskyky tulee aina testata ja arvioida.

Kriittisen lämpötilan ymmärtämiseksi on tärkeää pitää mielessä seuraavat seikat:

• 350 °C voi olla kriittinen lämpötila, jos terästä on kuormitettu erittäin paljon, lähes kapasiteettinsa rajalle asti. Tällöin teräsrakenteella ei ole riittävää lujuutta lämpötilan noustessa
  yli 350 °C.

• 750 °C voi olla kriittinen lämpötila, kun teräs on kevyesti kuormitettu. Tällöin teräksellä on riittävästi lujuutta kestämään lämpötilan nousua.

• Rakennuksen rakenteet ja käytetyt periaatteet määrittävät teräsrakenteen todellisen raja- / kriittisen lämpötilan. Jos teräksen käyttöaste on tiedossa, se voidaan laskea. Jos se ei ole tiedossa, tulee käyttää maan rakennusmääräysten oletusarvoista rajalämpötilaa tai kriittistä lämpötilaa. Euroopassa tämä on monissa tapauksissa 500 °C.

Vain koulutettu ja pätevä henkilö, kuten rakennesuunnittelija tai palokonsultti, voi määrittää teräsrakenteen raja-/ kriittisen lämpötilan.

Kriittisen lämpötilan ollessa yli 650 °C tulee suunnittelijan ymmärtää rakenteen todellinen käyttöaste tai teräsrakenteen kuormitus, jotta riittävä palosuojaus saavutetaan eikä teräsrakenne jää merkittävästi alisuojatuksi.