Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych

Temat odporności ogniowej konstrukcji drewnianych nieustannie budzi wiele rozbieżnych opinii oraz emocji. Dotyczy to w podobnej mierze zarówno projektantów, jak i osób związanych z prowadzeniem procesu budowlanego, czyli kierowników budów, inspektorów nadzoru itp. Wśród głównych materiałów stosowanych do wznoszenia konstrukcji (drewno, stal, beton, ceramika, aluminium) drewno jest jedynym palnym. Stąd zapewne stale pojawiające się skojarzenia większości osób, że nie może ono mieć odporności ogniowej samo w sobie. Czy na pewno? Drewno, które pod względem reakcji na ogień zgodnie z PN-EN 13501-1+A1:2010 najczęściej ma klasę D, potrafi cechować się wysoką odpornością ogniową, tj. zdolnością elementu do spełnienia w określonym czasie określonych funkcji użytkowych w warunkach pożaru. Wyraża się w minutach jako R15, R30, R60 itd. Należy jednak odróżnić drewno lite od drewna klejonego warstwowo, które spala się w sposób bardziej równomierny oraz wolniej od drewna litego. Przyczyną tego są chociażby występujące w drewnie litym większe pęknięcia, przez które płomień może je głębiej penetrować.

Fot. 1 14-piętrowy apartamentowiec Treet w Bergen ukończony w 2015 r.

Na świecie jest coraz więcej budynków wysokich oraz wysokościowych, których główna konstrukcja (oczywiście oprócz fundamentu) jest wznoszona z komponentów drewnianych, a jak wiadomo, budynki takie mają bardzo restrykcyjne wymagania w kwestiach pożarowych. Jest to bez wątpienia potwierdzeniem, że oprócz takich zalet, jak trwałość, odporność na trzęsienia ziemi, akumulacja CO₂, wysoka izolacyjność termiczna przegród, drewno charakteryzuje się wysoką odpornością, szczelnością oraz izolacyjnością ogniową. Normy i regulacje prawne często nie nadążają za rozwojem technologicznym. Jeszcze kilka lat temu w Stanach Zjednoczonych budowanie drewnianych konstrukcji było ograniczone prawnie do czterech pięter, a już dziś trwa wyścig w budowie jak najwyższych konstrukcji drewnianych. Dla przykładu w 2009 r. oddano do użytku w Londynie Stadthaus Murray Grove – 9-piętrowy drewniany apartamentowiec o wysokości 30 m, a w 2015 r. w Bergen w Norwegii – 14-piętrowy luksusowy apartamentowiec o wysokości 49 m zbudowany w całości z drewna klejonego – 550 m³, oraz płyt wielowarstwowych CLT (ang. cross-laminated timber) – 385 m³.

W trakcie budowy jest 18-piętrowy akademik Tall Wood o wysokości 53 m w Vancouver, zaprojektowany w łączonej technologii drewna, stali i betonu (ukończenie planowane jesienią 2017 r., budowa zakończy się prawdopodobnie szybciej, gdyż pierwotnie budowanie jednego piętra miało zająć tydzień, a trwa trzy dni).

Fot. 2 A – próbka wyjściowa, B – próbka po 30 minutach pożaru, C – próbka po 60 minutach pożaru

W planach są m.in.: HoHo Viena Tower w Austrii (84 m, złożony w 75% z drewna, zmagazynuje 2800 t CO², który nie trafi do atmosfery); 73-metrowy wieżowiec w Amsterdamie, którego budowa ruszyć ma w 2017 r; 40-piętrowy budynek Tratoppen (korona drzew) o wysokości 133 m, z drewna klejonego oraz elementów CLT.

Jak widać, wzrost wysokości budynków w budownictwie drewnianym jest wyjątkowo szybki. Czy możliwe byłoby projektowanie i budowanie wieżowców z drewna w tak rozwiniętych krajach, gdyby nie gwarantowały one bezpieczeństwa pożarowego? Wiele światowych sław w dziedzinie architektury okrzyknęło już jakiś czas temu wiek XXI wiekiem nowoczesnych konstrukcji drewnianych (po wieku XIX zdominowanym przez stal i XX w. zdominowanym przez beton). Czy jest to realne? Wygląda na to, że tak. Co czyni drewno odpornym na działanie ognia? Otóż w drewnie poddanym działaniu wysokiej temperatury następuje proces pirolizy. Tworzy się zwęglona warstwa, która wraz z długością trwania pożaru przyrasta. Warstwa ta nie posiada właściwości nośnych, ale izoluje rdzeń, ograniczając dopływ tlenu, a co za tym idzie wzrost temperatury. Dzięki temu procesowi drewno pod obciążeniem ogniowym zachowuje się w sposób bardzo przewidywalny. Tymczasem niechroniona stal lub żelbet zachowują się w przypadku pożaru w sposób trudny do przewidzenia. Dzięki wprowadzeniu w naszym kraju Eurokodów projektowanie odporności ogniowej elementów drewnianych stało się przejrzyste i klarowne. Odbywa się na podstawie Eurokodu 5 [1].

Fot. 3 Zdjęcie obiektu po pożarze, widoczne uplastycznione elementy stalowe wiszące nad nadal przenoszącymi

Odporność ogniowa R

Uwaga! Przedstawione wnioski służą jedynie przybliżeniu tematyki oraz przedstawieniu podstawowych kroków obliczeniowych, nie mogą być podstawą do samodzielnego projektowania konstrukcji. Zarówno zbieranie obciążeń oddziałujących na konstrukcję, jak i cały proces obliczeniowy w konkretnym projekcie muszą zostać każdorazowo przeprowadzone przez uprawnionego projektanta.

Eurokod 5 podaje wiele niezbędnych przy projektowaniu informacji i uproszczone metody obliczeń: metodę zredukowanych własności oraz metodę zredukowanego przekroju. Przedstawiony zostanie pokrótce schemat obliczeń wg drugiej metody, która jest zalecana przez autorów normy. Opisane metody odnoszą się do pożaru standardowego. Pożary parametryczne opisane są w odpowiednich załącznikach do normy.

Fot. 4 Dźwigary z drewna klejonego utrzymujące swój profil jeszcze po pożarze

PRZYKŁAD: Sprawdzenie nośności ogniowej R60 dźwigara dachowego.

Dla przykładu przyjęto najpowszechniejszy spotykany na rynku model:

– belka wolno podparta z jedną podporą przesuwną,

– dźwigar dachowy z drewna klejonego warstwowo o stałym przekroju poprzecznym 20 x132 cm,

– rozpiętości – 20 m,

– klasa drewna najbardziej popularna i powszechnie dostępna – GL24 h,

– rozstaw osiowy dźwigarów – 6 m.

Wartości charakterystyczne działających obciążeń:

– obciążenie stałe – 0,6 kN/m²

– obciążenie zmienne śniegiem – 0,56 kN/m² Wytrzymałość charakterystyczna drewna: f_mk= 24 MPa Wytrzymałość obliczeniowa w warunkach pożaru:

f_d,fi = k_mod,m,fi * k_fi * f_k,m / γ_M,fi

k_mod,m,fi– współczynnik modyfikujący wytrzymałość w warunkach pożaru = 1,0

k_fi – współczynnik uwzględniający zwiększoną wytrzymałość drewna w warunkach pożaru, dla drewna klejonego warstwowo = 1,15

γ_M,fi – współczynnik częściowy właściwości materiału w warunkach pożaru = 1,0

f_d,_fi = 1,0 * 1,15 * 24 / 1,0 = 27,6 MPa

Rys. 1 Efektywna głębokość zwęglania przekroju drewnianego

Redukcja przekroju drewnianego:

Zgodnie z punktem 4.2.2 normy:

d_ef = d_char,n + k₀d₀

d₀ – głębokość warstwy o zerowej wytrzymałości

d_ef – efektywna głębokość zwęglania

d_char,n – hipotetyczna głębokość zwęglania = ß_n • t

ß_n – prędkość zwęglania z uwzględnieniem wpływu narożników dla drewna klejonego o gęstości charakterystycznej większej od 290 kg/m³ wynosi 0,7 mm/min.

t – czas w minutach,

k₀ – współczynnik równy 1,0 dla powierzchni niezabezpieczonej i t ≥ 20 min

d₀= 7 mm

zatem:

d_char,n = 0,7 • 60 = 42 mm
d_ef = 42 mm + 7 mm = 49 mm

Wyznaczenie zredukowanego przekroju dla ekspozycji na ogień z trzech stron:

szerokość = 200 – 2 • 49 = 102 mm

wysokość = 1320 – 49 = 1271 mm

Przekrój przenoszący obciążenia po 60 minutach działania ognia to 10,2 cm x 127,1 cm.

Wskaźnik wytrzymałości na zginanie dla przekroju zredukowanego:

W_y,_r = b_r • h_r²/6 = 0,0275 m³

gdzie: b_r – szerokość przekroju zredukowanego, h_r – wysokosć przekroju zredukowanego

Nośność na zginanie w warunkach pożarowych:

R_m,y,d,fi = k_crit • f_m,d,fi • W_y,r

gdzie: f_m,d,fi – wytrzymałość na zginanie w warunkach pożaru

W przykładzie uproszczonym przyjęto współczynnik k_crit = 1 [przekroj zabezpieczony przez zwichrzeniem. W takim przypadku należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, iż elementy zabezpieczające przed zwichrzeniem muszą posiadać nie mniejszą odporność ogniową)

A więc:

R_m,y,d,fi = 1,0 • 27600 • 0,0275 = 759 kNm

Oddziaływania mechaniczne w warunkach pożarowych:

G_k= g_k • z = 0,6 • 6 = 3,6 kN/m

Q_k= q_k • z = 0,56 • 6 = 3,36 kN/m

G_k – wartość charakterystyczna obciążenia stałego

Q_k– wartość charakterystyczna obciążenia zmiennego z – rozstaw między dźwigarami

Kombinacja oddziaływań w warunkach pożarowych wg wzoru:

E_d,a = G_k + Ψ_1,1 • Q_k

Ψ_1,1 – dla budynku zlokalizowanego na wysokości do 1000 m n.p.m. współczynnik = 0,2

E_d,a= 3,6 + 0,2 • 3,36 = 4,272 kN/m

Moment zginający w środku rozpiętości belki o długości L wynosi:

M_y,d,fi = E_d,a • L2/8 = 213,6 kNm

Warunek nośności na zginanie w sytuacji pożarowej:

M_y,d,fi/R_m,y,d,fi < 1,0

213,6/759 = 0,28 < 1,0

Jak widać, warunek został spełniony z dużym zapasem. To znaczy, że dobrany przekrój posiada nośność ogniową R60. Należy zwrócić uwagę, że przy układach belkowych w większości przypadków o doborze przekroju decyduje SGU (ugięcie) i w omawianym przykładzie ugięcie graniczne wykorzystane jest w ok. 90%, czyli przekrój dobrany jest ekonomicznie, a mimo to uzyskujemy wysoką odporność ogniową niejako „w standardzie”. Wynika to m.in. z doboru przekroju stosunkowo szerokiego [200 mm) w standardowej klasie wytrzymałościowej [GL24 h). A zatem mając na uwadze projektowanie konstrukcji mających przenosić większe obciążenia ogniowe, warto dobierać przekroje szersze w niższej klasie wytrzymałościowej aniżeli węższe w wyższej klasie. Przykład wyraźnie pokazuje, że duża odporność ogniowa drewna klejonego jest rzeczą pewną i prawdziwą.

Odporność ogniowa połączeń

Poza wymiarowaniem elementu drewnianego zgodnie z wytycznymi podanymi w Eurokodzie 5 część 1-2 należy zaprojektować połączenia między elementami o co najmniej takiej samej odporności ogniowej. Kwestia poprawnego wykonstruowania połączeń jest bardzo istotna, na równi z wymiarowaniem przekroju elementu. Analizując konstrukcję w warunkach pożarowych nie można bagatelizować i pomijać tego zagadnienia. Może się okazać, że właśnie to połączenie jest najsłabszym ogniwem i to jego nośność ogranicza odporność ogniową całego elementu konstrukcyjnego. Dlatego też warto przedstawić opcje, jakie można zastosować, aby uzyskać połączenie o określonej odporności ogniowej.

Pierwszą z możliwości jest zastosowanie ukrytych wieszaków belek. Ukryte wieszaki belki są to złącza, które tworzą połączenia niewidoczne dla użytkownika. Ich głównym zastosowaniem są połączenia, które ze względów architektonicznych czy estetycznych nie mogą być widoczne. Dodatkową ich zaletą jest fakt, że montując je wewnątrz elementu podwieszanego, tworzymy naturalną otulinę drewnianą. Odwołując się do sekcji 6 Eurokodu 5 część 1-2, można udowodnić odporność ogniową złącz tego typu.

Fot. 6 Wieszak belki GSE o przebadanej nośności ogniowej R30

Niestety połączenia ukryte są dość pracochłonne w montażu. Końcówkę belki podwieszanej należy przeciąć pionowo w osi elementu i precyzyjnie wywiercić otwory pod stalowe sworznie (fot. 5a). Problem polega na tym, że chcąc stosować zapisy normy, złącze musi być całkowicie otulone drewnem. W związku z tym należy dodatkowo wkleić drewnianą wkładkę w nacięcie w dolnej krawędzi belki i zaczopować otwory na sworznie. Minimalne wymiary, gwarantujące odporność ogniową połączenia, przedstawione są zgodnie z normą na rys. 2 i w tab. 1.

Tab. 1 Minimalne wymiary wykładek

*dla połączeń z wielkością szczeliny między elementami ≤ 1 mm wartości d_g2 mogą być zastąpione wartościami d_g1, gdzie: t₁ – otulina drewniana po obu stronach złącza, a_f1 – grubość drewnianego czopu, d_g1 – grubość wklejanej wkładki, d_g2 – szerokość drewnianej otuliny skrzydełek bocznych wieszaka dla szczeliny między elementami ≤ 3 mm.

Jak widać, ukryte wieszaki belek, aby mogły uzyskać odporność ogniową w kontekście Eurokodu 5, muszą być dodatkowo zabezpieczone. Zabezpieczenie w taki sposób pojedynczych płatwi w niewielkim obiekcie nie jest nadmiernie uciążliwe dla wykonawcy. Jednakże w sytuacji, kiedy mamy do czynienia z obiektem halowym, liczba połączeń między płatwiami i dźwigarami głównymi może iść w setki lub tysiące. W takim przypadku ukrywanie wieszaków wewnątrz płatwi z dodatkowym zabezpieczaniem jest zajęciem niezmiernie pracochłonnym.

Rys. 2 Wklejane wkładki i czopy do pełnego otulenia złącza

W dużych obiektach o powtarzalnych połączeniach sugeruje się zastosowanie drugiego typu połączeń z odpornością ogniową. Wieszaki belki GSE są jedynymi na rynku wieszakami odkrytymi o przebadanej odporności ogniowej. Odporność ogniowa zgodnie z EN 13501-2 przy ekspozycji na ogień wszystkich powierzchni wieszaka belki została określona i przebadana jako R30. Wartości nośności zostały określone na podstawie modelu statycznego stworzonego przez firmę Simpson Strong-Tie, zaopiniowanego i zweryfikowanego przez badania zgodne z EN 1365-2 i Wytycznymi do Europejskich Aprobat Technicznych (ETAG 015) – Raport oceny wydany przez Building Test Centre (Członek Fire Test Study Group (FTSG) i akredytowanym przez UKAS nr 0296).

Nośności w warunkach ogniowych są osiągnięte pod warunkiem zastosowania dłuższych niż standardowe gwoździ profilowanych lub wkrętów. Warunkiem uzyskania nośności jest zastosowanie gwoździ CNA 4,0 x 75 lub wkrętów CSA 5,0 x 80. Ma to niezwykle istotne znaczenie, ponieważ gwarantuje utrzymywanie odpowiedniego zagłębienia łącznika w drewnie w miarę zwęglania się przekroju. Aby zakładać odporność ogniową R30, połączenie musi dodatkowo spełniać następujące warunki:

– Wysokość belki głównej ≥ wysokość belki drugorzędnej ≥ wysokość wieszaka belki + 10 mm.

– Przekrój belki drugorzędnej nie może wystawać poza krawędzie elementu głównego.

– Szerokość belki drugorzędnej ≥ 100 mm.

– Szczelina między elementami drewnianymi ≤ 3 mm.

Spełniając podane założenia, można zakładać nośności w warunkach pożarowych z tab. 2.

Tab. 2 Nośność charakterystyczna F_v,Rk,fi [kN] wieszaka GSE w warunkach ogniowych R30

Należy spełnić warunek nośności:

E_d,fi ≤ R_d,30,fi
R_d,30,fi = F_v,Rk,fi / γ_M,fi

gdzie:

E_dfi – obliczeniowy efekt oddziaływań w sytuacji ogniowej, określony zgodnie z EN 1995-1-2 (Eurokod 5);

R_d30fi – nośność obliczeniowa w sytuacji ogniowej;

γ_M,fi – materiałowy współczynnik bezpieczeństwa dla sytuacji ogniowej. Uproszczone obliczenia E_dfi zgodnie z Eurokodem 5.

Więcej informacji na temat wieszaków GSE w Europejskiej Ocenie Technicznej ETA 06-0270 i katalogach technicznych Simpson Strong-Tie.

Fot. 8 Test ogniowy ściany HBE o grubości 10 cm, na miniaturce widoczna wewnętrzna strona ściany poddana działaniu ognia. Test zakończony pomyślnie, wynik: EI60

Szczelność oraz izolacyjność drewnianych przegród ogniowych

Osobnym zagadnieniem jest kwestia szczelności (E) oraz izolacyjności (I) ogniowej. Temat ten w większości przypadków wymaga przeprowadzenia odpowiednich badań konkretnych przegród. Nie jest to zatem tak łatwe i tanie do ustalenia. W ostatnich latach sporo się dzieje również w tej dziedzinie. Nie tylko na świecie, ale i w Polsce. Przeprowadzono wiele badań masywnych elementów z drewna (w tym klejonego warstwowo), co pozwoliło udowodnić, że drewno dzięki swoim parametrom doskonale izoluje wysoką temperaturę pożaru od pozostałych pomieszczeń i bez problemu można tworzyć z niego przegrody ogniowe, jak stropy i ściany o odporności REI30 oraz REI60.

Fot. 9 Element stropowy po teście ogniowym. Grubość wyjściowa 10 cm, po 60 minutach działania pożaru widoczny ubytek materiału ~ 40 mm, co niejako potwierdza normową prędkość spalania na poziomie 0,7 mm/min. Test zakończony pomyślnie, wynik: REI60; drewno dzięki swoim parametrom doskonale izoluje wysoką temperaturę pożaru od pozostałych pomieszczeń i bez problemu można tworzyć z niego przegrody ogniowe, jak stropy i ściany o odporności REI30 oraz REI60