הגנה נגד אש על שלד בניין מפלדה
המדריך המקצועי למתכננים וקבלנים. סקירה מעמיקה על צבעים תופחים, פתרונות צמנטיים ותקינה ישראלית (ת"י 931 ,1267, 1733). גלו את כל החידושים בתחום
שייך לקטגוריית בטיחות אש
יהונתן אליאב
1/29/20261 min read
בנייה בפלדה מהווה את אחד מ"עמודי התווך" של הבנייה, בזכות יחס של חוזק-משקל גבוהים, גמישות תכנונית ומהירות הקמה.
יחד עם זאת, התנהגות הפלדה בטמפרטורות גבוהות מהווה נקודת תורפה קריטית. בעת שריפה, חשיפת אלמנטים נושאי עומס לטמפרטורות העולות על ℃500 מובילה לירידה דרסטית בקשיחות החומר ובחוזק הכניעה ("נקודת האל-חזור" של הפלדה), מה שעלול להוביל לקריסה מואצת של המבנה כולו.
מאמר זה סוקר מספר היבטים טכניים ורגולטוריים ונועד לספק סקירה ממצה ומעמיקה של תחום מיגון האש הפסיבי (Passive Fire Protection - PFP) לפלדה.
במאמר אני מנתח את המנגנונים הכימיים המאפשרים לחומרים דקים להתנפח וליצור שכבות בידוד, סוקר את הפתרונות הצמנטיים והלוחות הקשיחים, ומפרט את התקנים הרלוונטיים, נתונים טכניים, משווה עלויות ושיטות יישום הנפוצות ומציג חידושים טכנולוגיים בתחום. הישארו איתי, יהיה מעניין.
התנהגות תרמו-מכנית של פלדה בסביבת אש
הבנת הצורך במיגון מתחילה בניתוח הכשל של החומר. פלדה, בהיותה מוליך חום מצוין, סופגת אנרגיה תרמית במהירות רבה מסביבת השריפה.
קצת על "מוליכות תרמית" - מוליכות תרמית היא היכולת של חומר להעביר אנרגיה (חום) מצד אחד שלו לצד השני. כך לדוגמא שאם נחזיק מוט פלדה והקצה השני שלו יהיה בתוך מדורה, החום "יטפס" לאורך המוט לכיוון היד. הקצב שבו זה קורה נקבע על ידי המוליכות. מוליכות תרמית מסומנת באותיות W/mK .
האות W – וואט: כמות האנרגיה (החום) שעוברת בכל שנייה. m - מטר: עובי החומר. ככל שהחומר עבה יותר, לחום ייקח יותר זמן לעבור. K - צלזיוס: הפרש הטמפרטורה. ככל שהפרש הטמפרטורות בין הצד החם לצד הקר גדול יותר, זרימת החום תהיה חזקה יותר.
עקומות שריפה וטמפרטורות קריטיות
בתכנון הנדסי, מתייחסים לרוב ל"שריפה סטנדרטית" המוגדרת על פי עקומת הטמפרטורה-זמן של תקן ISO834 (המאומץ בת"י 931). עקומה זו מתארת שריפה של חומרי עץ, נייר וריהוט, האופיינית למבני מגורים ומשרדים (Cellulosic Fire). במקרה זה, הטמפרטורה עולה בהדרגה ומגיעה לכ- ℃900 לאחר כ-60 דקות.
לעומת זאת, במתקני תעשייה, ייצור מוצרים כימיים או תשתיות מסוימות, ייתכן תרחיש של שריפה המאופיינת בעליית טמפרטורה מהירה ו"אלימה" הרבה יותר, המגיעה ל- ℃1100 בתוך דקות ספורות (המינוח בתקן UL1709 לשריפה זו הוא Hydrocarbon Fire).
עד טמפרטורה של ℃400, הפלדה שומרת על חוזקה.
הטמפרטורה הקריטית: זוהי הטמפרטורה שבה אלמנט הפלדה אינו מסוגל עוד לשאת את העומס המתוכנן ועובר למצב של כשל פלסטי או קריסה.
עבור עמודים וקורות תחת עומס מלא, הטמפרטורה הקריטית נעה בדרך כלל סביב ℃550. בטמפרטורה זו, הפלדה מאבדת כ-40% עד 60% מחוזק הכניעה שלה.
בטמפרטורה של ℃1000, נותרים רק כ-10% מהחוזק המקורי.
פקטור צורת פרופיל הפלדה
צורת פרופיל הפלדה הוא משתנה הנדסי חשוב ביותר בקביעת עובי המיגון הנדרש. הוא מבטא את היחס בין השטח החשוף לחום לבין המסה של הפלדה המסוגלת לספוג אותו.
לסקירה טכנית מהירה של חתכי פלדה נפוצים בבנייה ותעשייה - לחץ כאן
הנוסחה המקובלת היא:
כאשר: H_p - היקף החתך החשוף לאש (במטרים) (Heated Perimeter). A - שטח החתך של הפרופיל (במ"ר) (Cross-sectional Area).
משמעות הנתונים:
● ערך גבוה (למשל 300H_p) הוא פרופיל דק וקל. יש לו שטח פנים גדול יחסית למסה. הוא יתחמם מהר מאוד ויידרש לשכבת הגנה עבה.
● ערך נמוך (למשל 40H_p) הוא פרופיל מסיבי וכבד. המסה הגדולה "בולעת" את החום ומעכבת את עליית הטמפרטורה. נדרשת שכבת הגנה דקה יותר.
דוגמאות לחישוב נוסחת לפרופילים נפוצים
שימוש בטבלאות העומס מחייב זיהוי מדויק של הפרופיל וצורת החשיפה שלו.
חומרי המיגון בציפוי - הכימיה והמנגנונים שלהם
ההגנה על הפלדה מתבצעת באמצעות יצירת חיץ תרמי (Thermal Barrier) בין האש לפלדה. בעיקרון קיימות שתי טכנולוגיות עיקריות השולטות בשוק: ציפויים תופחים וציפויים צמנטיים.
ציפויים תופחים
ציפויים אלו נראים כצבע רגיל בעובי של מילימטרים ספורים, אך בעת חשיפה לחום הם עוברים תגובה כימית מורכבת, מתנפחים פי 50 עד 100 מנפחם המקורי ויוצרים שכבת פחם מבודדת.
ההרכב הכימי:
ההרכב מבוסס על אינטראקציה בין שלושה רכיבים פעילים בתוך חומר מקשר אחד וחומר אחד נוסף כדי לגרום לציפוי להישאר במקומו.
1. תורם חומצה – לרוב החומר הוא אמוניום פוליפוספט. בטמפרטורה של ℃215 החומר מתפרק ומשחרר חומצה. החומצה משמשת כזרז לתגובה הכימית הבאה.
2. מקור פחמן - לרוב החומר הוא פנטאריתריטול או דיפנטאריתריטול ופוליאולים דומים שהינו בעצם חומר עשיר בפחמן שמשמש כ"דלק" ליצירת שכבת הבידוד. החומצה שהשתחררה מגיבה יחד עם מקור הפחמן עד שנוצר קשר כימי חדש. כתוצאה מהתגובה, מולקולות מים (H₂O) נפלטות מהמבנה הכימי. איבוד המים גורם למקור הפחמן להפסיק להיות מולקולה קטנה ולהתחיל להפוך למבנה פחמני מוצק וקשיח עד שמתקבלת "מסה פחמנית צמיגה" - החומר הופך למעין זפת צמיגה ושחורה. המסה הזו היא ה"שלד" – היא מחזיקה את כל ההרכב הכימי יחד.
3. גורם התפחה - בשלב הבא, גזים שישתחררו (לרוב מלמין) נלכדים בתוך המסה הפחמנית הצמיגה (שנוצרה בשלב הקודם) וגורמים לה להקציף ולהתנפח, בדומה להתפחת עוגה בתנור.
המבנה התאי מהרכב 3 החומרים האלה כולל כיסי גז רבים המעניקים בידוד תרמי מעולה.
טיטניום דו-חמצני - אם כן, יש לנו כאן שילוב מדהים של חומרים שיחד עושים עבודה טובה אך צריך גם לגרום לחומר להישאר על עמודי הפלדה ולא להתפורר. ולכן, בצבעים מעכבי בעירה מוסיפים לעיתים קרובות טיטניום דו-חמצני. בואו נאמר שאם המסה הפחמנית שנוצרת מ-3 הרכיבים הפעילים הם ה"בשר" של שכבת ההגנה, הפוספטים של הטיטניום הם השלד הקשיח שלה. הפוספטים של הטיטניום יוצרים מבנה דמוי רשת שמונע מהקצף הפחמני לקרוס או להיסדק תחת החום הכבד. לחומר הזה יש גם עמידות תרמית בפני עצמו בטמפרטורות גבוהות והם משפרים את יכולת הבידוד של הציפוי ואולי, הכי חשוב, הם עוזרים לעכב את החמצון (השריפה) של הפחמן עצמו ובכך מאריכים את זמן ההגנה על הפלדה שמתחת לצבע.
לציפויים התופחים יש 2 סוגים עיקריים, אחד על בסיס מים והשני על בסיס ממיס (כימי). יש להבין את המגבלות של כל אחד מהם כדי לדעת מה ליישם והיכן.
בציפוי מבסיס מים, בעת היישום שלו על קורת הפלדה, הוא מתייבש בתהליך של אידוי. כדי שהצבע יהפוך לשכבה מגנה, המים שבתוכו חייבים לצאת החוצה לאוויר. חשוב לשים לב שאם הלחות באוויר גבוהה (מעל 80%-85%), למים שבצבע "אין לאן ללכת". האוויר כבר רווי. במקרה כזה הצבע נשאר רטוב זמן רב, עלול לנזול, או גרוע מכך – לכלוא לחות בין הפלדה לצבע שתגרום לחלודה מתחת לצבע. יש גם מגבלה נוספת של Dew Point – הלחות באוויר גורמת לשכבה בלתי נראית של "טל" על הפלדה, ציפוי על בסיס מים לא יידבק ותכלס יחליק כמו שמן על מים. למרות המגבלות שלו, מדובר בחומר שהוא "בנייה ירוקה" – אין כמעט ריח כימי.
בציפוי מבסיס ממיס, מדובר בחומר נדיף שמתאדה הרבה יותר מהר ממים, גם כשיש לחות באוויר. הציפוי עם הממיס הכימי מסוגל להתמודד עם נוכחות קלה של לחות על המשטח ולהתייבש בצורה אחידה גם בטמפרטורות נמוכות. וכן, הבסיס ממיס "נסגר" מהר יותר - מה שאומר שגשם פתאומי או לחות של לילה לא יהרסו את העבודה שנעשתה בצהריים.
מתי בוחרים מה? בסיס מים כשחשוב לנו "בנייה ירוקה" - חללים סגורים ללא הרבה איוורור כי אז אין ריח חריף של המדללים ו/או כשתנאי השטח מתאימים (בעונת קיץ / פנים המבנה). בסיס ממיס: נבחר כשעובדים בחוץ, בחורף, או כשיש לוח זמנים צפוף שדורש ייבוש מהיר כדי להמשיך בשכבה הבאה.
טיפ חשוב: יישום צבע תופח על בסיס מים על קורה קרה מדי הוא הסיבה מספר 1 להתנפחויות וקילופים עוד לפני שהבניין בכלל נמסר.
חומרים צמנטיים (+ וורמיקוליט)
הבנו שציפוי תופח הינו כמו צבע שמגיב כימית. בחומרים צמנטיים מדובר במעכב בעירה שעובד פיזיקלית. כאן לא מחכים שהחומר יתנפח באש, אלא בונים מראש קיר בידוד עבה.
חומרים אלו פועלים במנגנון שונה לחלוטין, המבוסס על מסה תרמית ותגובות אנדותרמיות (הסבר כבר מגיע).
החומר המותז (בטון קל) יוצר שכבה עבה (10-50 מ"מ) בעלת התנגדות תרמית גבוהה. השימוש באגרגטים קלים כמו ורמיקוליט (מינרל שעבר התפחה בחום לפני שהגיע לאתר – ממש כמו פופקורן) התוצאה היא גרגרים מלאי אוויר.
אוויר כלוא הוא אחד המבודדים הטובים בטבע. השכבה העבה (עד 5 ס"מ!) יוצרת הפרדה פיזית מאסיבית. החום פשוט "מתעייף" בדרך עד שהוא מצליח לעבור את כל כיסי האוויר הללו ולהגיע לפלדה.
תגובה אנדותרמית (Endothermic Reaction) - ה"קסם" המרכזי במעכב בעירה – זה השלב שבו הכימיה שואבת את האנרגיה מהאש ומנצלת אותה כדי לעצור את השריפה. בתגובה אנדותרמית החומר המקשר הוא לרוב גבס או צמנט פורטלנד (מלט).
הגבס מכיל כ-21% מים גבישיים (הגבס נראה יבש לחלוטין, אבל ברמה המולקולרית הוא רטוב). כאשר הטמפרטורה עולה, מתרחש תהליך שנקרא "קלצינציה". כשפורצת אש, הגבס לא סתם מתחמם. הוא מתחיל להתפרק. כדי להפוך את המים הגבישיים לאדי מים, האש חייבת להשקיע אנרגיה עצומה. כל עוד יש מים בתוך הגבס, הטמפרטורה של השכבה לא תעלה משמעותית מעל ℃100 (טמפרטורת הרתיחה). זה כמו "הקסם" שהיינו עושים כילדים, מציתים בלון מלא במים – הבלון לא יישרף כל עוד יש בו מים.
חידושים בתחום - גיאופולימרים וננו-טכנולוגיה
גיאופולימרים וננו-טכנולוגיה אלו הן שתי טכנולוגיות "הדור הבא" בעולם המיגון מאש, שפותרות את נקודות התורפה של החומרים הקלאסיים.
הגיאופולימרים מחליפים את המלט המסורתי במבנה הדומה לזכוכית או קרמיקה. בבטון רגיל, המים הכלואים הופכים לקיטור, יוצרים לחץ ומפוצצים את הבטון (מסוכן מאוד בשריפה!). בגיאופולימרים המבנה המולקולרי מאפשר לאדים לצאת בלי להרוס את החומר. נטען גם שהגיאופולימרים פשוט לא "נשרפים" כי הם כבר סוג של סלע סינתטי. הם שומרים על חוזק מבני בטמפרטורות שבהן פלדה הופכת למסטיק ובטון רגיל מתפורר.
גרפן הננו-טכנולוגי (Graphene) הוא "חומר פלא" המורכב משכבה אחת בודדת של אטומי פחמן המסודרים במבנה של משושים (כמו כוורת או גדר לולים). למרות שהוא מגיע מאותו חומר של הגרפיט כמו בעפרונות של הבנות שלי, התכונות שלו נחשבות לפורצות דרך. הוא החומר הדק בעולם, ביחס למשקלו הוא חזק פי 200 מפלדה, הוא מוליך חשמל וחום טוב יותר מנחושת ולמרות חוזקו, הוא גמיש מאוד וכמעט שקוף לחלוטין. (שילה, הבן הבכור שלי שואל מדוע לא מיישמים אותו על מסך הטלפון שלו (שלטענתו אחיותיו שברו לו)). ביישום גרפן על קורות פלדה, אפשר להגיע לאותה רמת הגנה עם שכבת צבע דקה בהרבה, מה שחוסך כסף ומשפר את האסתטיקה של המבנה.
בהמשך המאמר אסקור בקצרה שיטות נוספות לחיפוי קורות פלדה כחומרים מעכבי בעירה.
תקינה ורגולציה בתחום
● הראשון הוא כמובן ת"י 931 – עמידות אש של אלמנטי בניין - זהו תקן הראשון והבסיסי המגדיר את שיטות הבדיקה והסיווג. חלק 1.1 של התקן (המבוסס על ISO 834) קובע את הקריטריונים לעמידות: R (Resistance to Collapse): יציבות מכנית – הזמן בדקות שהאלמנט נושא את העומס תחת אש. עבור עמודי וקורות פלדה, זהו הקריטריון הקריטי והיחיד הרלוונטי ברוב המקרים (למשל, הדרישה תהיה R90, כלומר 90 דקות של יציבות). E (Integrity): שלמות – מניעת מעבר להבות וגזים (רלוונטי למחיצות). I (Insulation): בידוד – הגבלת הטמפרטורה בצד הלא חשוף (רלוונטי למחיצות ורצפות). מוזמנים לקרוא את המאמר על ת"י 931 בצורה מפורטת.
● ת"י 1733 – הגנה על רכיבי פלדה עוסק ספציפית ביישום מערכות הגנה. חלק 1 בתקן עוסק בציפויים מינרליים מותזים (כגון ורמיקוליט). הוא מגדיר דרישות לחוזק הידבקות (Adhesion/Bond Strength), צפיפות החומר (Density) ועובי היישום. חלק 2 של התקן עוסק בלוחות הגנה. דרישה לתחזוקה - התקן מחייב ביצוע בדיקות תקופתיות לוודא שאין סדקים, התנתקות של החומר או קורוזיה מתחת לציפוי.
● ת"י 1267 הוא תקן ייעודי לצבעים מעכבי בעירה. התקן מגדיר את תנאי הסביבה המותרים ליישום (טמפרטורה ולחות), את הצורך בצבע יסוד (Primer) למניעת קורוזיה, ואת השימוש בצבע עליון (Topseal) להגנה על הציפוי התופח מפני לחות ושחיקה. התקן מחייב גם בדיקת עובי הציפוי באתר כדי לוודא התאמה להוראות היצרן.
● ת"י 755 – תגובות בשרפה של חומרי בנייה - מסווג את החומרים עצמם (לא את החומר המוכן ליישום) לפי רמת הדליקות שלהם, צפיפות העשן ופליטת טיפות בוערות. חומרי המיגון (צבעים, לוחות, צמנט) חייבים לעמוד בדרגות מחמירות של אי-דליקות.
● הוראות מכ"ר 503 (קישור למאמר מורחב) מחייבות יצירת "תיק שטח". בסעיף הערכת סיכונים בו נדרש לפרט את גורמי הסיכון במבנה אני נוהג לציין גם חומרים מעכבי בעירה אם ישנם...
הערה: ב-NFPA13 ישנן אפשרויות להקלות מסוימות בדרישות המיגון הפסיבי אם ישנה מערכת ספרינקלרים בתקן מחמיר (ת"י 1928, מבוסס NFPA 13), אך הדבר דורש אישור פרטני של רשות הכבאות.
בחינת שיטות נפוצות למיגון פלדה בחומר מעכב בעירה
הבחירה בשיטת המיגון נגזרת מכמה פרמטרים. אסתטיקה, תקציב, מיקום הפלדה הנדרשת ביישום וכד'.
תחזוקה
אחרי ההבנה של ההרכב הכימי למשל של הציפוי התופח, ניתן להבין שמערכת מיגון אש אינה מוצר של "שגר ושכח". היעילות שלה בזמן אמת תלויה לחלוטין במצבה הפיזי. קולגה שלי שליווה אותי בכתיבת המאמר הדגיש בנושא התחזוקה כי נושא זה אינו מטופל מספיק מכיוון שיועצי בטיחות רואים בו כאמצעי בטיחות פסיבי בלבד.
לפני אכלוס (טופס 4), מנהל הפרוייקט יציג במסגרת מסמכים לת"י 921 תעודת בדיקה של מעבדה מוסמכת המאשרת כי החומרים יושמו בהתאם לתקן ולעובי הנדרש. יחד עם זאת, בעל הנכס/חברת הניהול מחויבים לוודא ויזואלית כי אין פגיעות מכניות (למשל מכלי רכב שפגע בעמוד בחניון וקילף את הציפוי), אין סימני רטיבות, ואין התנפחות או קילוף של הצבע.
מיגון פלדה בפני אש הוא תת תחום הנדסי בפני עצמו (המשלב כימיה, תרמודינמיקה וקונסטרוקציה). המפתח להצלחה עבור היזם טמון בשילוב מוקדם של יועץ בטיחות אש בתהליך התכנון. גם על מהנדס הקונסטרוקציה המשימה – נדרשת בחירה נבונה של פרופילי פלדה (בעלי פקטור צורה נמוך) ושימוש בשיטות מתקדמות כמו עמודים ממולאי בטון. זה יכול לחסוך הון בעלויות המיגון הישירות והעקיפות.
בסופו של דבר, הקפדה על התקנים הישראליים וביצוע תחזוקה שוטפת הם הערובה היחידה לכך שהמבנה יעמוד במבחן האש ויגן על חיי האדם השוהים בו.
תודה שהייתם איתי. כתבו לי נושאים נוספים שתרצו שאכתוב עליהם.
יהונתן.
והנה השוואה מסכמת