Ένας σοβαρός κίνδυνος για τις κατασκευές είναι η φωτιά. Ο κίνδυνος αυτός είναι μεγαλύτερος για τις μεταλλικές κατασκευές. Στην περίπτωση του οπλισμένου σκυροδέματος το σκυρόδεμα είναι κακός αγωγός της θερμότητας και προστατεύει τον χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος από την άνοδο της θερμοκρασίας. Αυτό όμως δεν ισχύει για τις μεταλλικές κατασκευές. Τα διάφορα υλικά και κυρίως τα μέταλλα μεταβάλλουν τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες με την μεταβολή της θερμοκρασίας. Η μεταβολή αυτή εξαρτάται από την θερμοκρασία αλλά και από τον ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας.
Η φωτιά είναι αποτέλεσμα της χημικής αντίδρασης του οξυγόνου με τα διάφορα υλικά δηλαδή είναι μια οξειδωτική αντίδραση.. Η αντίδραση αυτή ονομάζεται και καύση. Η καύση είναι μία εξώθερμη αντίδραση με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος λόγω μεταφοράς της θερμότητας μέσω του αέρα αλλά και μέσω ακτινοβολίας. Κατά συνέπεια οι μεταλλικές κατασκευές εντός των οποίων έχει εκδηλωθεί το φαινόμενο της φωτιάς υφίστανται αύξηση της θερμοκρασίας των λόγω μεταφοράς της θερμότητας από τον αέρα αλλά και από την ακτινοβολία. Είναι γενικά γνωστό ότι η άνοδος της θερμοκρασίας επιδρά αρνητικά στις μηχανικές ιδιότητες των μετάλλων λόγω της αύξησης των αποστάσεων των ατόμων με την αύξηση της θερμοκρασίας. Για τον χάλυβα ο μηδενισμός της αντοχής του λαμβάνει χώρα στους 927 οC. Όμως από πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες αρχίζουν τα προβλήματα. Γενικά πάνω από τους 450 οC θεωρείται ότι υπάρχει σημαντική μείωση της αντοχής. Άλλα μέταλλα εμφανίζουν πιο προβληματική συμπεριφορά. Για παράδειγμα ο χαλκός παρουσιάζει μηδενισμό της αντοχής του στους 900 οC, αλλά τα προβλήματα εμφανίζονται ήδη στους 300 οC. Το αλουμίνιο μηδενίζει την αντοχή του στους 620 οC.
Ο σχεδιασμός μίας κατασκευής έχει σκοπό να προσδιορίσει τον χρόνο που μεσολαβεί από την έναρξη της φωτιάς μέχρι την κατάρρευση της. Ο χρόνος αυτός ονομάζεται δείκτης πυραντίστασης.
Είναι φανερό από τα παραπάνω ότι εάν δεν ληφθούν κάποια μέτρα μια μεταλλική κατασκευή θα παρουσιάσει σημαντικά προβλήματα σε περίπτωση φωτιάς. Επομένως είναι απαραίτητο να ληφθούν κάποια μέτρα πυροπροστασίας. Στην συνέχεια θα γίνει προσπάθεια να παρουσιασθεί η φιλοσοφία της πυροπροστασίας και να αναφερθούν οι κυριότεροι μέθοδοι προστασίας.
Οι μηχανικές και θερμικές ιδιότητες του χάλυβα δεν είναι σταθερές αλλά μεταβάλλονται με την θερμοκρασία. Μόνο η πυκνότητα του μπορεί να θεωρηθεί σταθερή με τιμή 7850 kg/m3. Η μεταβολή των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων του χάλυβα για ρυθμούς αύξησης θερμοκρασίας από 2 έως 50 oC/min δίνονται από τον EC 3.1.2
Ένα σημαντικό ερώτημα είναι πως μεταβάλλεται η θερμοκρασία συναρτήσει του χρόνου σε ένα κτίριο στο οποίο έχει εκδηλωθεί μία πυρκαϊά. Η ένταση και η διάρκεια μίας πυρκαϊάς εξαρτώνται από παράγοντες όπως:
· Το πυροθερμικό φορτίο. Σαν πυροθερμικό φορτίο ορίζεται η εκλυόμενη ποσότητα θερμότητας από το υλικό που καίγεται μέσα στον χώρο που εκδηλώθηκε η πυρκαϊά. Το πυροθερμικό φορτίο εκφράζεται σε MJ. Πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου ορίζεται η ανά τετραγωνικό μέτρο εκλυόμενη ποσότητα θερμότητας σε MJ/m2. Η πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου εξαρτάται από το υλικό που καίγεται. Συνήθως όμως εκφράζεται σε κιλά ξύλου που απαιτούνται να καούν για να αποδοθεί το ίδιο πυροθερμικό φορτίο. Έτσι αναφέρεται ότι για δωμάτια ξενοδοχείου η πυροθερμική πυκνότητα είναι 24 kg/m2 κλπ. Περισσότερες πληροφορίες δίνονται στον EC 3.1.2
· Συνθήκες αερισμού. Η άνοδος της θερμοκρασίας σε ένα χώρο που εκδηλώθηκε πυρκαϊά εξαρτάται από το πυροθερμικό φορτίο αλλά και από τις συνθήκες αερισμού του χώρου. Ο αερισμός εξαρτάται από το ποσοστό των ανοιγμάτων που υπάρχουν στον υπόψη χώρο. Τα ανοίγματα για δεδομένο πυροθερμικό φορτίο παρέχουν οξυγόνο για την καύση και επομένως ανεβάζουν την θερμοκρασία αλλά ταυτόχρονα διευκολύνουν την διαφυγή θερμότητας στο περιβάλλον.
· Διάταξη των πυροδιαμερισμάτων. Για να παρεμποδιστεί η εξάπλωση της πυρκαϊάς επιδιώκεται ο διαχωρισμός του κτιρίου σε πυροδιαμερίσματα . Πυροδιαμέρισμα ορίζεται το τμήμα του κτιρίου που μπορεί να αποκλεισθεί ερμητικά από το υπόλοιπο κτίριο και αποτελείται από δομικά στοιχεία με προκαθορισμένο δείκτη πυροαντιστάσεως. Το Π.Δ. 71/88 δίνει τα μέγιστα επιτρεπόμενα εμβαδά πυροδιαμερισμάτων για βιομηχανικές και αποθηκευτικές χρήσεις.
· Το υλικό του περιβλήματος. Το υλικό του περιβλήματος απορροφά ένα ποσοστό της εκλυομένης θερμότητας και προστατεύει τον εκτός του πυροδιαμερίσματος χώρο.
Η θερμοκρασία ενός πυροδιαμερίσματος μεταβάλλεται με τον χρόνο όταν εκδηλωθεί πυρκαϊά εντός ή εκτός του πυροδιαμερίσματος. Η μεταβολή αυτή εκφράζεται με διάφορες μαθηματικές σχέσεις που οδηγούν σε καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου. Από τις καμπύλες αυτές άλλες είναι καθαρά θεωρητικές που προκύπτουν από πρότυπες δοκιμές πυροαντιστάσεως (όπως η πρότυπη καμπύλη ISO-834) που ονομάζονται πρότυπες ή ειδικές σε αντίθεση με άλλες που λαμβάνουν υπόψη παράγοντες της κατασκευής και ονομάζονται παραμετρικές. Οι τελευταίες έχουν το χαρακτηριστικό να διαθέτουν και καθοδικό κλάδο που αντιστοιχεί στην πτώση της θερμοκρασίας μετά την αιχμή της πυρκαϊάς.
Η αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του πυροδιαμερίσματος έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του χάλυβα. Η μεταφορά της θερμότητας από το περιβάλλον στο χάλυβα γίνεται με την επαφή του ζεστού αέρα στην επιφάνεια του χάλυβα αλλά και από την ακτινοβολία των φλογών.
Με την αύξηση της θερμοκρασίας του χάλυβα μειώνεται η αντοχή του. Η μειωμένη αυτή αντοχή πρέπει να μπορεί να αναλάβει τις δράσεις σχεδιασμού στον μέγιστο χρόνο που η κατασκευή μπορεί να υποστεί αυτή την αύξηση της θερμοκρασίας.
Ο υπολογισμός αυτός μπορεί να δώσει για μη προστατευόμενα μέλη διατομές μη οικονομικές. Επομένως συχνά απαιτούνται μέτρα προστασίας από την άνοδο της θερμοκρασίας.
Υπάρχουν έξη μέθοδοι προστασίας του χάλυβα σε περίπτωση πυρκαϊάς, οι οποίες εξετάζονται στην συνέχεια. Κάθε μέθοδος προστασίας έχει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου προστασίας εξαρτάται από:
· Το είδος των διατομών του χάλυβα.
· Το πυροθερμικό φορτίο του κτιρίου και επομένως από την αναπτυσσόμενη θερμοκρασία κατά την
διάρκεια της πυρκαϊάς.
· Τις κοινωνικές συνήθειες.
· Το κόστος.
Στην συνέχεια εξετάζονται συνοπτικά οι μέθοδοι προστασίας. Φυσικά δεν αποκλείονται και συνδυασμοί μεθόδων προστασίας.
Υπάρχουν διάφορα υλικά τα οποία μπορούν να σχηματίσουν μία προστατευτική επικάλυψη γύρω από τον χάλυβα για την περίπτωση της πυρκαϊάς. Τα υλικά αυτά μπορούν να χωρισθούν σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία έχει σαν βασικό συστατικό τον βερμικουλίτη, ο οποίος πρέπει να συνδυαστεί με ένα συνδετικό υλικό. Το συνδετικό υλικό είναι συνήθως το τσιμέντο. Η δεύτερη κατηγορία έχει σαν βασικό συστατικό τις ορυκτές ίνες..
Τα υλικά αυτά εφαρμόζονται με εκτόξευση πάνω στην γυμνή επιφάνεια του χάλυβα. Για τον λόγο αυτό δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις όπου ο κίνδυνος διάβρωσης είναι υψηλός. Μπορούν όμως να εφαρμοσθούν σε χαλύβδινα στοιχεία τα οποία ευρίσκονται στο εσωτερικό των κτιρίων. Τα περισσότερα υλικά μπορούν να προσφέρουν προστασία από την φωτιά για 4 ώρες. Συχνά αυτή η μέθοδος είναι η ταχύτερη και φθηνότερη μέθοδος πυροπροστασίας.
Ένας μεγάλος αριθμός διαφόρων επικαλύψεων που καλύπτουν την επιφάνεια του χάλυβα προσδίδοντας μία αντοχή στην υψηλή θερμοκρασία από 0,5 έως 4 ώρες. Η στερέωσή τους στα χαλύβδινα στοιχεία της κατασκευής πραγματοποιείται με μηχανικές μεθόδους (βίδες, ιμάντες, γαλβανισμένες γωνιές) ή με κόλλες ή κατάλληλα πλαίσια.
Το πάχος των επικαλύψεων εξαρτάται από το είδος του υλικού και τον προβλεπόμενο χρόνο προστασίας, γενικά όμως μεταβάλλεται από 6 έως 80 mm. Για την παραγωγή αυτών των υλικών χρησιμοποιούνται ορυκτές ίνες όπως ο βερμικουλίτης ή ανόργανα υλικά που σχηματίζουν φυλλίδια όπως η μίκα. Σαν συνδετικό υλικό χρησιμοποιείται το τσιμέντο ή γενικά πυριτικά συνδετικά μέσα. Οι επικαλύψεις αυτές χρησιμοποιούνται κύρια για την κάλυψη υποστυλωμάτων δίνοντας ταυτόχρονα με την πυροπροστασία και μία αξιόλογη αισθητική εμφάνιση. Πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι όλη η διεργασία στο εργοτάξιο πραγματοποιείται χωρίς την χρήση υγρών μέσων.
Προκατασκευασμένα προστατευτικά περιβλήματα από πλαίσια χάλυβα ή από κονιάματα βερμικουλίτη χρησιμοποιούνται προκειμένου να δώσουν πυροπροστασία στα χαλύβδινα στοιχεί μέχρι 4 ώρες. Τα χαλύβδινα πλαίσια είναι βαμμένα με συνήθεις πυροπροστατευτικές επικαλύψεις. Το πάχος των επικαλύψεων εξαρτάται από τον απαιτούμενο χρόνο προστασίας. Συνήθως δεν υπολογίζεται πρόσθετος χρόνος προστασίας λόγω του χαλύβδινου πλαισίου.
Τα προκατασκευασμένα προστατευτικά περιβλήματα μπορούν να έχουν μία πολύ καλή αισθητική εμφάνιση. Ο χρόνος εγκατάστασης του στο εργοτάξιο είναι μικρός. Η ανθεκτικότητα τους είναι επίσης πολύ καλή. Είναι προφανές ότι πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στο σωστό μέγεθος. Ακόμη πρέπει να προσεχθεί ιδιαίτερα η πυροπροστασία των συνδέσμων μεταξύ των προκατασκευασμένων προστατευτικών περιβλημάτων τόσο μεταξύ τους όσο και μεταξύ χάλυβα και περιβλήματος.
Όπως ήδη έχει αναφερθεί οι οργανικές επικαλύψεις ή χρώματα μπορούν να προστατεύσουν τον χάλυβα από την διάβρωση. Επίσης μπορούν να προσφέρουν πυροπροστασία στον χάλυβα. Τα χρώματα πυροπροστασίας κάτω από την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών παράγουν αέρια προϊόντα τα οποία τα διογκώνουν μέχρι 50 φορές του αρχικού τους πάχους στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Κατά την διόγκωση σχηματίζεται ένα σπογγώδες στρώμα το οποίο παρουσιάζει θερμομονωτικές ιδιότητες. Η προστασία διαρκεί δύο ώρες. Η απόχρωση των χρωμάτων πυροπροστασίας είναι μαύρη ή σκούρα και επομένως πρέπει να καλυφθούν από ένα άλλο στρώμα χρώματος ώστε να δώσουν μια καλή αισθητική εμφάνιση. Η επικάλυψή τους από ένα άλλο στρώμα χρώματος είναι αναγκαία και για τον λόγο της προστασίας από την υγρασία. Η εφαρμογή των χρωμάτων πυροπροστασίας μπορεί να γίνει επί τόπου με βούρτσα ή σπάτουλα.
Τα χρώματα πυροπροστασίας αποτελούν μία απλή και φθηνή μέθοδο προστασίας από την φωτιά και συνδυάζονται με την αντιδιαβρωτική προστασία.
Η μέθοδος αυτή όπως και η επόμενη μπορούν να εφαρμοσθούν μόνο σε κλειστές διατομές που περιέχουν κενά π.χ. κοιλοδοκοί. Η πλήρωση με σκυρόδεμα αρχικά είχε χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της ακαμψίας των διατομών αλλά στην συνέχεια διαπιστώθηκε και η ευνοϊκή επίδραση στην πυροπροστασία. Η προσθήκη χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος αυξάνει τις ευνοϊκές επιδράσεις. Ένα από τα πλεονεκτήματα της σύνθετης κατασκευής είναι ότι μεταβάλλοντας το πάχος του χάλυβα και την ποιότητα του σκυροδέματος (και του περιεχομένου οπλισμού) μπορεί η αντοχή της διατομής να αυξηθεί σημαντικά χωρίς αύξηση των διαστάσεων. Σε περίπτωση πυρκαϊάς συμπεριφέρεται καλύτερα από μία όμοια διατομή υποστυλώματος οπλισμένου σκυροδέματος.
Η πλήρωση κοιλοδοκών με νερό σε περίπτωση πυρκαϊάς μπορεί να προφυλάξει τον χάλυβα. Το νερό μπορεί να μεταφέρει θερμότητα από τα τμήματα του χάλυβα που έχουν εκτεθεί στην φωτιά σε άλλα τμήματα που δεν έχουν εκτεθεί ή να εξατμισθεί το νερό σε κατάλληλη δεξαμενή. Η δεξαμενή πρέπει να περιέχει νερό σε ποσότητα που εξαρτάται από το εμβαδόν της επιφάνειας του χάλυβα, την προβλεπόμενη άνοδο της θερμοκρασίας και την διάρκεια της φωτιάς. Το ποσό του νερού που εξατμίζεται από την δεξαμενή πρέπει να συμπληρώνεται.
Επειδή αναπτύσσονται μεγάλες υδροστατικές πιέσεις η όλη κατασκευή πρέπει να χωρισθεί σε τομείς, οι οποίοι εξυπηρετούν με κατάλληλη αντλία κυκλοφορίας του νερού. Είναι αυτονόητο ότι το νερό το οποίο αποθηκεύεται στην δεξαμενή δεν πρέπει να έχει την τάση απόθεσης αλάτων, και με κατάλληλα πρόσθετα να εξασφαλίζεται η μη διαβρωτική του ικανότητα και η αύξηση του σημείου ζέσεως.