Yleensä erilaisilla maalausjärjestelmillä toteutetun passiivisen palontorjunnan korkeat kustannukset ovat teräs- ja komposiittirakenteiden merkittävä taloudellinen haitta joihinkin muihin rakennusmateriaaleihin verrattuna. Teräs kuumasinkitään usein korroosionestoa varten, ja jos muodostunut sinkkikerros voisi parantaa myös palonkestävyyttä, siitä olisi huomattavaa etua. Useat tutkimukset ovat osoittaneet asian olevan näin, ja monissa maissa sinkkikerroksen myönteistä vaikutusta käytetään jo paloluokituksessa.
Teräs ei pala, mutta sen lujuus heikkenee lämpötilan noustessa. Teräsrakenteet pysyvät vakaina kriittiseen lämpötilaan saakka, joka on kuormitusolosuhteista riippuen 500-750 ºC. Palontorjunta alkaa aina suunnitteluvaiheessa, ja sekä paloriskiä että palontorjuntakustannuksia voidaan usein pienentää harkitulla rakennesuunnittelulla.
Palonkestävyys
Palonkestoaika on se minimiaika minuuteissa, jonka kuluessa rakenne pystyy edelleen täyttämään tehtävänsä normaalin palon aikana. Rakenne ei siis saa romahtaa tänä aikana. Minimiaikaa käytetään luokittelun perusteena taulukon 1 mukaisesti. Esimerkiksi silloin, kun teräsrakenteelta vaaditaan vähintään 30 minuutin palonkestävyys, on pystyttävä varmistamaan, että rakenteen kantavat osat täyttävät edelleen staattiset vaatimukset tänä aikana. Passiivisen palontorjunnan korkeat kustannukset voidaan välttää määrittämällä kriittinen lämpötila tietylle rakenteelle standardin EN 1993-1-2 mukaisesti.
| Palonkestävyysluokka | Palonkestävyysaika Minuttia | Maininta rakennetarkastussäännöissä |
| F 30 | ≥ 30 | Paloa hidastava |
| F 60 | ≥ 60 | Paloa hidastava |
| F 90 | ≥ 90 | Paloa pidättävä |
| F 120 | ≥ 120 | Paloa pidättävä |
| F 180 | ≥ 180 | Palonkestävä |
Taulukko 1. Palonkestoluokat. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kuumasinkitty teräksen palonkestävyysluokka on F30 ilman ylimääräistä palosuojausta.
Paloskenaario ja palokäyrä
Tulipalo koostuu useista vaiheista. Yleensä palo alkaa hitaasta vaiheesta, jossa materiaali syttyy ja kytee. Sen jälkeen seuraa palovaihe ja äkillinen leimahdus, joka nostaa lämpötilaa reilusti. Sitten tuli sammuu ja jäähdytysvaihe alkaa. Todellisissa tulipaloissa eri vaiheiden voimakkuus ja kesto voivat vaihdella suuresti. Rakennusmateriaalien palokäyttäytymisen vertailemiseksi on kehitetty lämpötila-aikakäyrä, joka sisältyy standardiin ISO 834 ”Fire resistance tests – Elements of building construction”.
Sinkkikerroksen rakenne
Kun teräs joutuu kosketuksiin sulan sinkin kanssa, metallien välillä tapahtuu reaktio, jossa teräspinnalle muodostuu rautasinkkiseosta. Tämä seos muodostuu erilaisista rautasinkkifaaseista, joiden
rautapitoisuus vähenee asteittain ulkopintaa kohti. Kun esine nostetaan sinkkisulasta, ylimpään seoskerrokseen tarttuu vielä puhdas sinkkikerros, katso kuva 1. Pinnoitteen paksuuden ja pinnan ulkonäön määräävät reaktio teräksen kanssa ja ylimmän sinkkikerroksen kovettumisnopeus. Reaktion kulku riippuu useista parametreista. Näistä merkittävin on teräksen kemiallinen koostumus, mutta myös teräksen pinnan ominaisuudet (mm. rakenne, raekoko, jännitykset sekä pinnankarheus) vaikuttavat. Vaikuttavia tekijöitä ovat lisäksi sinkkisulan koostumus ja lämpötila sekä varsinainen upotusaika.
Useat tutkimukset, mm. Münchenin yliopiston teknillisessä yliopistossa, ovat osoittaneet, että kuumasinkityn teräksen sinkkikerros vaikuttaa myönteisesti lämmönkehitykseen paloaltistuksessa ja että monissa tapauksissa kuumasinkityn teräsrakenteen palonkestävyysluokka on F30 ilman ylimääräistä palontorjuntaa.
Tämä tarkoittaa, että kuumasinkitty rakenne kestää 30 minuutin paloaltistuksen standardin EN 13501-2 mukaisesti. Tutkimus, joka on erittäin mielenkiintoinen, on osoittanut muun muassa:
»» F30 on nyt mahdollinen suojaamattomilla teräsrakenteilla.
»» Kalliit, passiiviset palontorjuntaratkaisut voidaan jättää pois.
»» Teräksen edut rakennusmateriaalina paranevat entisestään kilpailussa muiden materiaalien kanssa.
Tutkimus on osoittanut, että kuumasinkityksessä muodostuvilla sinkkikerroksilla on tärkeä ja myönteinen vaikutus tulipaloissa siihen saakka, kunnes teräs saavuttaa noin 550 °C:n lämpötilan. Se, että raja kulkee tämän lämpötilan ympärillä, johtuu todennäköisesti kerroksen ominaisuuksien muuttumisesta, kun kerroksen muodostavien rauta-sinkkifaasien sulamispiste ohitetaan. Puhdas sinkki sulaa 419,5 °C:ssä, mutta rauta-sinkkifaasien sulamislämpötilat ovat korkeammat, 530 °C zetafaasille ja 530–670 °C deltafaasille.
Monia etuja
Palotestien käytännön kokeilujen tulokset osoittivat, että kuumasinkityllä teräksellä oli useita etuja käsittelemättömään teräkseen verrattuna;
»» Pienempi päästökerroin
»» Hitaampi kuumeneminen
»» Pidempi aika kriittisen lämpötilan saavuttamiseen
Tärkeä parametri päästökertoimen vaikutukselle on kerroksen väri. Alla olevan taulukon alhaisen päästökertoimen saamiseksi kerroksen tulee olla kiiltävä tai vaaleanharmaa.
Pinnan emissiokerroin, >500 °C
| Teräslaatu | Pinnan emissiokerroin, lämpötila <500 °C | Pinnan emissiokerroin, >500 °C |
| Hiiliteräs | 0,70 | 0,70 |
| Ruostumaton teräs (1) | 0,40 | 0,40 |
| Kuumasinkitty teräs (2) | 0,35 | 0,70 |
Taulukko 2. Päästökertoimet muutamille eri terästyypeille.
Jos kerros on tummanharmaa, päästö on suurempi. Siksi on tärkeää valita oikeantyyppinen alumiinilla tai piillä tiivistetty teräs, jonka suurin piipitoisuus on 0,25 %, mutta mielellään pienempi.
Mielenkiintoinen business case
Suuri kiinnostus kuumasinkityksen avulla saatavaan palontorjuntaan on helppo ymmärtää alla olevasta kuvasta. Jos käytetään palontorjuntamaalausta, sitä on huollettava säännöllisesti. Kuumasinkitys ei vaadi huoltoa ja alkukustannukset ovat samalla tasolla.
Eurocode 3:n käyttöönotto
Eurocode 3:n muutoksia koskevat ehdotukset edellä kuvattujen tutkimusten tulosten toteuttamiseksi on esitetty. Kuumasinkityksen tuomaa palonkestävyyden paranemista hyödynnetään jo nyt sekä Saksassa, Belgiassa että Alankomaissa, joissa uutta tietoa sovelletaan kansallisella tasolla.