Jak zapewnić konstrukcjom drewnianym wymaganą odporność ogniową

STRESZCZENIE

W artykule opisano sposoby zabezpieczenia konstrukcji drewnianych, które można zastosować zarówno w konstrukcjach drewnianych tradycyjnych, jak i inżynierskich, oraz przedstawiono sytuacje, kiedy dodatkowe zabezpieczenie ogniochronne jest zbędne. W artykule znajdują się również praktyczne porady, jak rozumieć klasyfikację odporności ogniowej w odniesieniu do wybranych elementów, oraz krótka charakterystyka badawczych i obliczeniowych metod weryfikacji odporności ogniowej konstrukcji drewnianych.

ABSTRACT

The article describes the methods used to protect wooden structures, both traditional and civil engineering ones, as well as presents the cases in which there is no need for additional fire protection. The article also provides advice on how to understand fire resistance classification with regard to selected elements, as well as briefly characterizes the research and calculation methods for evaluating fire resistance of wooden structures.

Drewno jest jednym z najstarszych materiałów budowlanych wykorzystywanych przez człowieka.

W Polsce najwięcej konstrukcji w całości wykonanych z drewna jest wśród obiektów sakralnych (fot. 1a) i architektury podkarpackiej (fot. 1b).

Do głównych zalet drewna należy m.in. duża wytrzymałość (przy odpowiednim zabezpieczeniu), łatwa obróbka mechaniczna, dobra izolacyjność w warunkach normalnych oraz walory estetyczne.

Jeżeli chodzi o wady, to najistotniejsze ze względów konstrukcyjnych są: duża podatność na czynniki biologiczne – grzyby, owady niszczące drewno – wady w strukturze (np. sęki, pęknięcia, krzywizny) oraz palność.

Pojęcie odporności ogniowej oraz zagadnień związanych sformułowano na podstawie definicji przedstawionych w normach [1-3].

Fot. 1. Zastosowanie drewna w budownictwie: a) gotycki kościół drewniany w miejscowości Lipnica Murowana, woj. małopolskie (fot. P. Sulik, ITB); b) obiekt handlowo-usługowy w Nowym Targu (archiwum ITB)

Podstawowe zagadnienia

Odpornością ogniową określa się zdolność konstrukcji, elementu budynku lub wyrobu budowlanego do spełnienia określonych wymagań/funkcji (kryteriów oceny) w warunkach oddziaływania pożaru. Miarą odporności ogniowej jest czas wyrażony w minutach, przez który dane kryteria oceny nie zostaną osiągnięte. Zdefiniowane są następujące miary czasu oddziaływania (czasy klasyfikacyjne): 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 240 lub 360 minut oraz następujące kryteria oceny (w normie PN-EN 13501-2 [3] zwane charakterystykami skuteczności działania): R – nośność ogniowa, E – szczelność ogniowa, I – izolacyjność ogniowa, W – promieniowanie, M – odporność na oddziaływanie mechaniczne, C – samoczynne zamykanie, S – dymoszczelność, G – odporność na „pożar sadzy”, K – zdolność do zabezpieczenia ogniochronnego. Spośród wymienionych najistotniejsze ze względu na polskie przepisy oraz konstrukcje drewniane, są nośność, szczelność i izolacyjność ogniowa – ich krótka charakterystyka znajduje się poniżej.

Nośność ogniowa to zdolność konstrukcji lub elementu do przeniesienia obciążania w warunkach pożarowych bez utraty właściwości nośnych. Kryteria, które pozwalają ocenić zniszczenie, będą różne w zależności od typu elementu.

Szczelność ogniowa to zdolność do zapobiegania przechodzenia płomieni i gorących gazów.

Izolacyjność ogniowa to zdolność elementu do ograniczenia przechodzenia ciepła. Miarą izolacyjności ogniowej jest dopuszczony przyrost temperatury maksymalnej 180 K lub przyrost średni 140 K.

Skuteczności działania ze względu na odporność ogniową opisuje się odpowiednią klasą odporności ogniowej, która składa się z kombinacji liter oraz czasu klasyfikacyjnego, np. REI 30.

Jak należy rozumieć odpowiednią klasę odporności ogniowej?

Weźmy dla przykładu ścianę szkieletową o wymaganej klasie odporności ogniowej REI 60. Oznacza to, że ściana przez 60 minut oddziaływania pożaru powinna spełniać wszystkie trzy kryteria, tj. nośność ogniową, szczelność ogniową oraz izolacyjność ogniową. Nawet gdy jedno z kryteriów jest przekroczone przed 60 minutami, nie można powiedzieć, że ściana spełnia kryteria klasy REI 60. Ostatnią kwestią przy charakteryzowaniu odporności ogniowej jest rodzaj oddziaływania pożaru lub inaczej rodzaj oddziaływania termicznego. Zasadniczo powyższe klasy dotyczą pożaru typowego opisanego standardową krzywą temperatura – czas (ISO 834). Oprócz niej literatura opisuje: krzywą powolnego nagrzewania (tzw. pożar tlący się), pożar „semi-naturalny” lub krzywą zewnętrznego oddziaływania ognia (odzwierciedla pożar wydostający się przez okno lub z zewnętrznego źródła), oddziaływanie ognia o stałej temperaturze (np. do oceny dymoszczelności drzwi, podłóg podniesionych, wyrobów kominowych). W przypadku innego niż standardowe oddziaływanie pożaru klasa odporności ogniowej może przybierać postać np.

REI 60-ef, gdzie -ef oznacza pożar zewnętrzny opisany krzywą zewnętrzną.

Rys. 1. Przykład stropu pełnego na mikrowczepy (opracowanie własne)

Rys. 2. Mechanizm zniszczenia nieosłoniętego drewna w pożarze: 1 – pożar, 2 – zwęglina, 3 – przekrój o zerowej wytrzymałości i sztywności, 4 – przekrój nośny; a) rozkład temperatury (archiwum ITB); b) przekrój przez zwęglony element drewniany poddany trójstronnemu działaniu ognia (rys. A. Frangi)

Czy konstrukcje drewniane wymagają dodatkowego zabezpieczenia?

Drewno jest materiałem palnym, a pod względem reakcji na ogień zgodnie z [4] najczęściej ma klasę D. Mimo to trudno jest uwierzyć, ale poszczególnych elementów konstrukcji drewnianych o odpowiednio dobranym przekroju nie trzeba dodatkowo zabezpieczać ogniochronnie ze względu na kryteria odporności ogniowej. Należy mieć tu na uwadze takie elementy, jak belki, słupy czy tradycyjne konstrukcje drewniane z połączeniami ciesielskimi lub połączeniami na pióro-wpust, lub na mikro- wczepy (rys. 1).

Podczas spalania drewno wytwarza mechanizm ochronny w postaci zwęglonej warstwy działającej jak izolator. Spowalnia ona proces spalania wnętrza (średnio 0,8 mm/min) i w ten sposób zabezpiecza rdzeń przekroju, a w związku z tym i całą konstrukcję nośną przed zniszczeniem (rys. 2).

Podobnie jest z grubym kawałkiem drewna wrzuconym do ogniska. Nie spala się on nagle, a proces spalania powierzchniowego może trwać kilkanaście-kilkadziesiąt minut. Właśnie ten gruby kawałek jest w całym rozważaniu najistotniejszy. Sukces zapewnia odpowiednio dobrany przekrój. Weźmy dla przykładu nośną belkę z drewna litego o przekroju prostokątnym 12×30 cm podpierającą strop. Przyjmując scenariusz oddziaływania ognia z trzech stron, po 30 minutach, efektywny przekrój będzie wynosił ok. 9×27 cm. Przy granicznym wykorzystaniu nośności na zginanie, określonym dla warunków normalnych, belka spełnia wymagania nośności ogniowej przez 30 minut i tym samym klasy odporności ogniowej R 30. Sprawa ma się podobnie w przypadku kryteriów szczelności i izolacyjności ogniowej, np. w stropach pełnych (rys. 1). Odpowiednio dobrane przekroje elementów składowych oraz właściwe ich połączenie skutkuje zapewnieniem funkcji oddzielającej elementu przez odpowiedni czas. Możliwe metody określenia nośności ogniowej i/lub funkcji oddzielającej opisano w dalszej części artykułu.

Rys. 3. Interpretacja długości zakotwienia na przykładzie stropu z zabezpieczeniem płytą g-k typu F: a) przekrój ogólny, b) przekrój w połowie szerokości belki drewnianej: 1 – niespalone drewno, 2 – warstwa zwęglona, 3 – płyty g-k, 4 – łącznik, 5 – izolacja (oprac. autora)

Kiedy konstrukcje drewniane trzeba zabezpieczać z uwagi na odporność ogniową?

Konstrukcje drewniane zabezpieczamy ze względu na wymaganą odporność ogniową, gdy:

• nośność w warunkach pożarowych jest niewystarczająca, np. oczekuje się nośności ogniowej od elementów istniejącego obiektu, a żadne dodatkowe wzmocnienia konstrukcji nie mogą być zastosowane;
• zwiększenie obliczonych przekrojów drewnianych jest nieekonomiczne – tańszym rozwiązaniem są systemy zabezpieczające;
• wymagany jest długi czas klasyfikacyjny, np. powyżej 60 minut;
• mamy do czynienia ze ścianami lub stropami o układzie szkieletowym;
• dąży się do optymalizacji nośnej konstrukcji drewnianej, np. w przypadku konstrukcji inżynierskich;
• występuje kombinacja powyższych przypadków.

Rys. 4. Dach o konstrukcji drewnianej w badaniu odporności ogniowej: a) element do badań: 1 – obciążenie (np. obciążniki stalowe), 2 – warstwa wykończeniowa dachu; b) element po badaniu: 1 – drewniane belki nośne, 2 – obciążenie podwieszone (archiwum ITB)

Okładziny z płyt

Najczęściej stosowanym zabezpieczeniem konstrukcji drewnianych są różnego rodzaju płyty: gipsowo-kartonowe oraz ich odmiany wg EN 520 [5], płyty cementowe, wiórowo-cementowe, krzemianowo-wapniowe, wiórowe lub inne płyty drewnopochodne. Każdy z wymienionych typów spełnia swoją funkcję w warunkach pożarowych, a o ich zastosowaniu bardzo często decydują inne właściwości, np. akustyczne, odporność biologiczna czy odporność na warunki pogodowe, nie wspominając już o kwestiach ekonomicznych. Płyty mogą zabezpieczać zarówno elementy powierzchniowe (strop, ściana), jak i liniowe (belka, słup). Istotnym parametrem płyt jest ich grubość oraz liczba warstw – im są one grubsze a warstw jest więcej, tym wyższa odporność ogniowa całej konstrukcji. Innym ważnym aspektem jest sposób mocowania płyt do konstrukcji, czyli czym są mocowane, w jakim rozstawie oraz z jakim zagłębieniem. Zgodnie z PN-EN 1995-1-2 [6] w przypadku stropów lub ścian należy stosować następujące zasady mocowania płyt:

• powinny być zamocowane do konstrukcji szkieletu drewnianego, a nie do wewnętrznej warstwy;
• powinny przylegać do siebie, a szczeliny między płytami nie mogą być większe niż 1,0 mm;
• połączenia między różnymi warstwami płyt należy rozmieszczać z przesunięciem co najmniej 60 mm;
• płyty drewnopochodne: rozstaw łączników ≤ 150 mm (gwoździe), ≤ 250 mm (wkręty), minimalna długość zakotwienia płyt nośnych: ≥ 8-krotność grubości płyty, minimalna długość zakotwienia płyt nienośnych: ≥ 6-krotność grubości płyty;
• płyty g-k typu A lub H: w odniesieniu do długości zakotwienia, rozstawów i odległości od krawędzi wystarczające są reguły jak dla normalnych warunków (niepożarowych), przy czym rozstaw wkrętów warstwy wewnętrznej ≤ 300 mm oraz płyt zewnętrznej ≤ 300 mm;
• płyt g-k typu F, DF lub lepszych: długość zakotwienia w niezwęglonym przekroju powinna być nie mniejsza niż 10 mm (rys. 3).

W rozwiązaniach belek i słupów szczególnie istotne jest, aby każda warstwa płyt była zamocowana do konstrukcji nie do warstwy wewnętrznej, a połączenia podłużne przesunięte o ≥60 mm. Rozstaw łączników nie powinien być większy niż 200 mm lub 17-krotność grubości płyty (w przypadku gdy stosowane są różne grubości opłytowania, wielokrotność dotyczy płyt o mniejszej grubości). Zasady dotyczące długości łączników są takie same jak opisane dotyczące stropów i ścian.

W ostatnich latach spotkać można też producentów płyt magnezowych (MgO). Oprócz tlenku magnezu w skład płyty MgO wchodzą przeważnie włókna celulozowe, perlit oraz dodatki, a całość dodatkowo wzmacniana jest obustronnie siatką z włókna szklanego. Jeżeli chodzi o sposób mocowania tego typu płyt, to należy się sugerować zaleceniami producentów. Przykładowe wyniki badania odporności ogniowej dachu w obudowie z płyt MgO opisano w [7].

Fot. 2. Ściana nośna o konstrukcji drewnianej w badaniu odporności ogniowej – widok przed badaniem oraz w momencie utraty szczelności ogniowej (archiwum ITB)

Okładziny z wełny mineralnej

Z technicznego punktu widzenia konstrukcje drewniane można zabezpieczać wełną mineralną niewykończoną dodatkowymi płytami. Z powodu faktury zewnętrznej i walorów estetycznych tego typu okładziny stosuje się przeważnie na belkach lub słupach w kondygnacjach piwnicznych, same rozwiązania zaś należą do rzadkości. Płyty z wełny powinny ściśle do siebie tak przylegać, aby uniknąć przedwczesnego uszkodzenia konstrukcji. Przykładowo na podstawie wzorów z normy [6] płyty o gęstości 90 kg/m³ i grubości 50 mm opóźniają początek zwęglania konstrukcji w czasie zbliżonym jak jedna warstwa płyt gipsowo-kartonowych o grubości 12,5 mm.

Ogniochronne zestawy malarskie

Inną formą zabezpieczeń ogniochronnych konstrukcji drewnianych są ogniochronne wyroby malarskie, najczęściej w postaci lakierów lub farb pęczniejących (reaktywnych), lub impregnatów. Impregnaty lub lakiery pęczniejące przeważnie wykorzystuje się w celu zapewnienia wyższej klasy reakcji na ogień (do klasy B-s1, d-0 zgodnie z [4]). Natomiast farby lub lakiery pęczniejące wykorzystuje się do ustalenia wpływu na odporność ogniową elementów konstrukcji drewnianych (metodę ustalania wpływu zabezpieczenia określa się na podstawie normy 13381-7 [8]). Asortyment dostępnych na rynku produktów, dla których określono wpływ na odporność ogniową, jest bardzo ograniczony. Autorowi znany jest tylko jeden producent, który podaje informacje na temat wpływu powłoki pęczniejącej na parametry prędkości zwęglania oraz początku zwęglania konstrukcji drewnianej. Więcej szczegółowych informacji dotyczących biernych zabezpieczeń ogniochronnych można znaleźć w [17-19].

Fot. 3. Przykład zabezpieczenia konstrukcji drewnianej impregnatem do klasy odporności ogniowej R 30 w zabytkowym budynku w Czechach [17]

Metody weryfikacji odporności ogniowej konstrukcji drewnianych

Odporność ogniową elementów konstrukcji drewnianych można określić, stosując metody badawcze lub obliczeniowe.

Przez badania można stwierdzić :

1. Odporność ogniową danego elementu konstrukcyjnego, np. słupa, belki, stropu, dachu, ściany (przykłady elementów podczas badań na rys. 4 i fot. 2 oraz w [9 i 10]. W tym celu wykonuje się odpowiednie badanie ogniowe elementu w pełnej skali. Ogólne warunki badania ogniowego opisane są w normie PN-EN 1363-1 [2], natomiast metody badawcze, wg jakich należy badać dany element, wymieniono w normie klasyfikacyjnej PN-EN 13501-2 [3], która jednocześnie definiuje możliwe do określenia klasy odporności ogniowej na podstawie badań.

2. Wpływ danego zabezpieczenia (w postaci płyt, powłok malarskich itp.) na odporność ogniową konstrukcji drewnianych. Badanie wykonuje się wg [8]. Alternatywą dla metod badawczych są metody obliczeniowe określone w normie [6] oraz przedstawione w opatrzonym przykładami poradniku [11]. Różne aspekty związane z obliczeniami odporności ogniowej znajdują się w pracach [12-16] i [20-22].

Wyniki metod obliczeniowych pozwalają określić funkcję nośną (kryterium odporności ogniwowej R) oraz funkcję oddzielającą (kryteria odporności ogniowej E i I). Metody obliczeniowe mają jednak ograniczenia, np. brakuje metod obliczeniowych dla przegród z izolacją z polistyrenu (EPS) lub pianek poliuretanowych (PIR lub PUR). Jeżeli chodzi o typ izolacji, to uwzględniono tylko wełnę (skalną lub szklaną) i pustkę powietrzną. W przypadku okładzin podano tylko płyty gipsowo-kartonowe, różnego rodzaju okładziny drewnopochodne (w tym drewniane) oraz wełnę. Norma [6] ma też inne ograniczenia, o których pisano już w pracy [16].

Podsumowanie

Odpowiednio ukształtowane elementy konstrukcji drewnianej, niezabezpieczone ogniochronnie, są w stanie spełniać wymagania odporności ogniowej, szczególnie w zakresie nośności ogniowej R.

Najwięcej problemów z uzyskaniem oczekiwanej odporności ogniowej sprawiają obiekty zabytkowe, w których żadna dodatkowa zmiana wizualna nie jest dopuszczalna. W takich przypadkach jedynym rozwiązaniem mogą okazać się czynne systemy zabezpieczeń, np. instalacje tryskaczowe, mgły wodne, które może nie podnoszą odporności ogniowej, ale przy uzyskanym odstępstwie rozwiązują problem. Innym wyjściem będą wyroby pęczniejące w postaci farb lub lakierów, fot. 3.

W każdym innym przypadku, jeżeli trzeba i można zastosować dodatkowe zabezpieczenie konstrukcji drewnianej, najłatwiej obłożyć ją płytami, palnymi (drewnopochodne) lub niepalnymi (np. typu g-k lub inne opisane w artykule). Indywidualne rozwiązania, których nie da się określić obliczeniami, należy sprawdzać w badaniach odporności ogniowej.

mgr inż. Paweł Roszkowski

Instytut Techniki Budowlanej
Zakład Badań Ogniowych

Literatura

1. PN-EN ISO 13943 Bezpieczeństwo pożarowe – Terminologia.
2. PN-EN 1363-1 Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne.
3. PN-EN 13501-2 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej.
4. PN-EN 13501-1 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień.
5. PN-EN 520 Płyty gipsowo-kartonowe. Definicje, wymagania i metody badań.
6. PN-EN 1995-1-2 Projektowanie konstrukcji drewnianych – Część 1-2: Postanowienia ogólne – Projektowania konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
7. P. Roszkowski, P. Sulik, Fire resistance of roofs with loadbearing wooden beams and fire protective claddings of magnesium oxide boards, Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW Forestry and Wood Technology, nr 87, 2014.
8. PN-ENV 13381-7(E):2004 Metody badawcze ustalania wpływu zabezpieczeń na odporność ogniową elementów konstrukcyjnych. Część 7.: Zabezpieczenia elementów drewnianych. Uwaga: wkrótce norma powinna zostać zastąpiona nowym wydaniem.
9. P. Roszkowski, P. Sulik, Fire resistance of timber floors – part 2: Test method, Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW Forestry and Wood Technology, nr 96, 2016.
10. P. Roszkowski, P. Sulik, B. Sędłak, Fire resistance of timber stud walls, Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW Forestry and Wood Technology, nr 92, 2015.
11. G. Woźniak, P. Roszkowski, Projektowanie konstrukcji drewnianych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodu 5, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2014.
12. M. Dębski, P. Sulik, Szacowanie nośności belek drewnianych w sytuacji ogniowej, „Materiały Budowlane” nr 10/2014.
13. G. Kimbar, P. Roszkowski, P. Sulik, Calculation methods of determining charring depth of timber walls and floors, Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW Forestry and Wood Technology, nr 101, 2018.
14. P. Roszkowski, P. Sulik, G. Kimbar, Ocena głębokości zwęglenia elementów drewnianych w ustrojach powierzchniowych, „Materiały Budowlane” nr 8/2017.
15. P. Roszkowski, P. Sulik, Fire resistance of timber floors – part 1: Design method, Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW Forestry and Wood Technology, nr 96, 2016.
16. P. Roszkowski, P. Sulik, Wooden stud walls – problems with regard to structural fire design according to PN-EN 1995-1-2, Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW Forestry and Wood Technology, nr 87, 2014.
17. P. Sulik, Bierne zabezpieczenia przeciwpożarowe konstrukcji, „Izolacje” nr (224), 5/2018.
18. I. Gajecka-Graniczna, P. Sulik, Weryfikacja ogniochronnych powłok malarskich, „Izolacje” nr (226), 5/2018.
19. P. Sulik, Systemy biernej ochrony przeciwpożarowej konstrukcji budynków, „Vademecum bezpieczeństwo pożarowe”, Wydawnictwo Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa.
20. P. Sulik, Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych, „Ochrona Przeciwpożarowa” nr 4/2007.
21. P. Sulik, Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych, cz. 2, „Ochrona Przeciwpożarowa” nr 1/2008.
22. M. Dębski, P. Sulik, Szacowanie nośności belek drewnianych w sytuacji ogniowej, „Materiały Budowlane” nr 10/2014.