Przegrody wewnętrzne stanowią klucz do zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego w obiektach budowlanych. Badania odporności ogniowej pozwalają na ciągły rozwój istniejących rozwiązań i powstawanie nowych.
Wstęp
Przegrody wewnętrzne o określonej odporności ogniowej wykorzystywane są w celu spełnienia bardzo ważnej funkcji w budynkach i obiektach budowlanych – przede wszystkim do podziału przestrzeni wewnętrznej obiektu budowlanego na strefy pożarowe i obszary przewidziane w przepisach techniczno-budowlanych, w których pożar powinien być zlokalizowany i nie powinien, przez określony czas, się rozprzestrzeniać. Taka filozofia podejścia stosowana jest powszechnie na całym świecie w celu zapewnienia możliwości ewakuacji ludzi – strefa sąsiednia powinna być przez określony czas bezpieczna, a także w celu umożliwienia podjęcia działań przez straż pożarną – zakłada się, że przez określony czas również funkcja nośna konstrukcji obiektu będzie zachowana. W odniesieniu do wewnętrznych przegród budowlanych oraz drzwi i okien ze względu na wymagania odporności ogniowej elementy te powinny spełniać przez określony czas kryteria szczelności ogniowej i, na ogół, izolacyjności ogniowej, a w przypadku elementów nośnych – także kryterium nośności ogniowej. Kryteria wymienionych charakterystyk zdefiniowano następująco:
- Szczelność ogniowa (E) – czas, wyrażony w pełnych minutach, przez który element próbny utrzymuje swoją funkcję oddzielającą bez:
a) powodowania zapalenia tamponu bawełnianego lub
b) dopuszczenia do penetracji szczelinomierzem, lub
c) wystąpienia utrzymywania się płomienia.
- Izolacyjność ogniowa (I) – czas, wyrażony w pełnych minutach, przez który element próbny utrzymuje w czasie badania swoją funkcję oddzielającą, bez wywołania na powierzchni nienagrzewanej temperatury, która:
a) podnosi średnią temperaturę więcej niż o 140 K powyżej początkowej średniej temperatury lub
b) w dowolnym miejscu przyrasta (łącznie z termoelementem ruchomym) więcej niż o 180 K powyżej
początkowej średniej temperatury.
Początkowa średnia temperatura jest to średnia temperatura powierzchni nienagrzewanej w chwili rozpoczęcia badania.
- Nośność ogniowa (R) – czas, wyrażony w pełnych minutach, do którego nie zostało przekroczone jedno z następujących kryteriów:
a) w przypadku obciążonych elementów zginanych:
– ugięcie graniczne
lub
– graniczna prędkość uginania
przy czym:
L – rozpiętość w świetle elementu próbnego [mm],
d – odległość od skrajnego włókna zimnej obliczeniowej strefy ściskanej do skrajnego włókna zimnej obliczeniowej strefy rozciąganej przekroju [mm];
b) w przypadku elementów obciążonych pionowo:
– graniczne skrócenie pionowe (wydłużenie ujemne)
lub
– graniczna szybkość skrócenia pionowego (wydłużenie ujemne)
przy czym
h – wysokość początkowa elementu próbnego w momencie przyłożenia obciążenia [mm].
W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych w budynkach występują ściany pełniące funkcję nośną oraz ściany nienośne. Znaczna część ścian jest projektowana jako ściany nienośne (samonośne), a więc nienarażone na przenoszenie obciążeń pochodzących od konstrukcji obiektu. Ze względu na wymagania odporności ogniowej zarówno ściany nośne, jak i ściany nienośne (niezależnie od funkcji) muszą spełniać kryteria szczelności ogniowej (E) i poza wyjątkowymi sytuacjami kryteria izolacyjności ogniowej (I). W przypadku ścian nośnych spełnione musi być także kryterium nośności ogniowej (R).
W przypadku stropów przyjmuje się, że zawsze pełnią one funkcję nośną. Poziom wymaganych obciążeń jest określony przez projektanta konstrukcji i odpowiednio do niego dobierane są rodzaj i rozwiązanie stropu. Największy wpływ na wybór rozwiązania stropu mają inne przesłanki, jak ogólna konstrukcja budynku, koszt, materiał, czas wykonania, funkcje użytkowe itp. Wybrane rozwiązanie, w zależności od wymagań wynikających z przepisów, powinno charakteryzować się odpowiednią klasą odporności ogniowej. Stropy, od których wymagana jest odporność ogniowa, muszą spełniać kryteria nośności ogniowej, szczelności ogniowej i izolacyjności ogniowej. Ocena odporności ogniowej stropów odbywa się przy oddziaływaniu ognia od spodu stropu. W niektórych sytuacjach wymagana jest także ocena odporności ogniowej stropu przy oddziaływaniu od góry, ale są to sytuacje rzadkie, objęte odrębnymi ocenami wyraźnie odnoszącymi się do tych specyficznych warunków oddziaływania.
Wymagania w zakresie odporności ogniowej drzwi i okien związane są także z pełnioną przez te elementy funkcją oddzielającą. W odniesieniu do drzwi i okien wymagane jest spełnienie kryteriów szczelności ogniowej (E) i izolacyjności ogniowej (I). W przypadku drzwi różnicowane jest wymaganie w odniesieniu do izolacyjności ogniowej: gdy izolacyjność ogniowa (I) sprawdzana jest w obszarze poza 100 mm od krawędzi drzwi (oznaczana jako I2) oraz gdy izolacyjność ogniowa (I) sprawdzana jest w obszarze poza 25 mm od krawędzi drzwi (oznaczana jako I1).
Ściany
Charakterystyka rozwiązań
Ściany nienośne
Ściany nienośne konstruowane są z różnych materiałów i w bardzo zróżnicowany sposób. Spośród najczęściej spotykanych ścian o określonej odporności ogniowej należy wymienić ściany:
- betonowe, o różnej grubości i konstrukcji;
- murowane z elementów ceramicznych (różne rodzaje cegły, pustaków, bloczków), łączone w różny sposób;
- murowane z elementów silikatowych (różne rodzaje cegły, pustaków, bloczków), łączone w różny sposób;
- murowane z bloczków z betonu komórkowego (pełnych, drążonych, o różnej geometrii), łączone w różny sposób;
- z płyt: gipsowo-kartonowych, gipsowo-włóknowych, gipsowo-wiórowych, krzemianowo-wapniowych, z rusztem konstrukcyjnym z zimnogiętych profili stalowych, profili drewnianych i drewnopochodnych;
- z płyt warstwowych z rdzeniem: styropianowym, poliuretanowym, z wełny mineralnej, z obustronną lub jednostronną okładziną z blachy stalowej, aluminiowej lub z okładzinami z innych materiałów;
- przeszklone profilowe z profilami aluminiowymi, stalowymi, drewnianymi i drewnopochodnymi;
- z kaset z blachy stalowej z wypełnieniem wełną mineralną;
- z prefabrykowanych elementów płytowych;
- betonowo-szklane z wykorzystaniem bloczków szklanych.
Jak widać z tego pobieżnego przeglądu, rozmaitość konstrukcji jest bardzo duża. Każdy z wymienionych rodzajów ścian charakteryzuje się innymi właściwościami i inne parametry są istotne zarówno dla normalnego użytkowania, jak i dla oceny odporności ogniowej.
Fot. 1 Ściana przeszklona od strony nagrzewanej po badaniu
Fot. 2 Ściana przeszklona od strony nienagrzewanej w momencie rozpoczęcia badania (widoczne płomienie palników)
Fot. 3 Ściana przeszklona od strony nienagrzewanej
Ściany nośne
Spośród wymienionych konstrukcji ścian nienośnych niektóre są projektowane i wykonywane jako ściany nośne. Do najczęściej wykorzystywanych jako elementy konstrukcji budynku należą ściany:
- betonowe, także z szalunkiem traconym z tworzyw sztucznych;
- murowane z elementów ceramicznych (różne rodzaje cegły, pustaków, bloczków), łączone w różny sposób;
- murowane z elementów silikatowych (różne rodzaje cegły, pustaków, bloczków), łączone w różny sposób;
- murowane z bloczków z betonu komórkowego (pełnych, drążonych, łączonych na wpust i pióro lub nie), łączone w różny sposób;
- z płyt warstwowych ze szkieletem nośnym stalowym lub drewnianym;
- z prefabrykowanych elementów płytowych;
- betonowo-szklane z wykorzystaniem bloczków szklanych.
Metodyka badania odporności ogniowej ścian
Ściany nienośne
W Europie odporność ogniową ścian nienośnych określa się na podstawie badań według normy PN-EN 1364-1:2001 [1]. Metoda badawcza podaje informacje na temat:
- wytycznych dotyczących projektu elementu próbnego,
- sposobu wykonania badań,
- obszaru bezpośredniego zastosowania wyników badania.
Wymiary ściany elementu próbnego powinny wynosić co najmniej 3 x 3 m. Z trzech stron ściana powinna być zamocowana do konstrukcji mocującej, jedna krawędź pozostaje swobodna – wypełniona skalną wełną mineralną o grubości 2,5–5,0 cm. W piecu badawczym temperatura spalin kontrolowana jest za pomocą termometrów płytkowych. W trakcie badania mierzone jest ciśnienie, które u góry elementu próbnego nie powinno przekraczać 20 Pa. Na nienagrzewanej powierzchni ściany przyklejane są w odpowiednich miejscach termoelementy powierzchniowe do pomiaru temperatury w trakcie badania. Podczas badania odporności ogniowej wykonywane są pomiary: przemieszczeń poziomych elementu próbnego, natężenia promieniowania oraz temperatury na nienagrzewanej powierzchni (również za pomocą termoelementu ruchomego) – jeśli sprawdzane jest kryterium izolacyjności ogniowej (I), a także sprawdzane jest kryterium szczelności ogniowej (E) – w tym celu wykorzystuje się szczelinomierze, tampon z waty bawełnianej oraz prowadzi się obserwacje wystąpienia płomienia po stronie nienagrzewanej.
Oddziaływanie termiczne, któremu element próbny jest poddawany z jednej strony, zdefiniowane jest krzywą standardową temperatura–czas określoną wzorem:
T = 345•log (8•t + 1) + 20
gdzie:
T – temperatura nagrzewania [°C],
t – czas [min].
Zakres zastosowania wyników badania, w zależności od uzyskanego rezultatu i przy zachowaniu otrzymanej klasy odporności ogniowej, obejmuje wyspecyfikowane w normie warianty rozwiązań. Zakres ten nie wymaga odrębnego potwierdzenia badaniami.
Ściany nośne
Metodyka badań odporności ogniowej ścian nośnych różni się od metodyki badania odporności ogniowej ścian nienośnych. Badania wykonuje się według normy PN-EN 1365-1:2001 [2] (w 2013 r. została opublikowana nowa wersja tej normy). Zasadnicze różnice w stosunku do badania ścian nienośnych polegają na:
- zastosowaniu obciążenia pionowego podczas badania (z odpowiednim mimośrodem),
- innym sposobie zamocowania elementu próbnego podczas badania (obie pionowe krawędzie elementu próbnego pozostają swobodne),
- wykonywaniu w trakcie badania także pomiarów przemieszczeń pionowych elementu próbnego (skrócenia),
- ocenie elementu próbnego także ze względu na kryterium nośności ogniowej.
W obu metodach zastosowane są takie same wymagania dotyczące sposobu nagrzewania, kontrolowania ciśnienia w piecu, zasad pomiaru temperatury powierzchni nienagrzewanej czy też pomiaru przemieszczeń poziomych.
Fot. 4 Ściana z płyt warstwowych od strony nagrzewanej po badaniu
Wyniki badań odporności ogniowej ścian
Na odporność ogniową ścian nienośnych wpływa wiele czynników ściśle związanych z konstrukcją ścian. W przypadku ścian betonowych i murowanych (które uzyskują bardzo wysokie klasy odporności ogniowej – nawet EI 240) badanie najczęściej prowadzone jest do przekroczenia kryterium izolacyjności ogniowej; rzadziej występuje utrata szczelności ogniowej (jeśli już to w wyniku powstania otworów i szczelin w elemencie).
W przypadku ścian z okładzinami płytowymi i z płyt warstwowych mechanizm osiągnięcia kryteriów odporności ogniowej bywa zróżnicowany – silnie zależy od konstrukcji ściany.
W przypadku ścian przeszklonych z profilami metalowymi mechanizm utraty szczelności ogniowej często polega na wysunięciu szyby z zamocowania, ale niekiedy uzyskany wynik zależy od zachowania szkła w danym obramowaniu. W przypadku ścian przeszklonych z profilami drewnianymi lub z wyrobów drewnopochodnych szczelność ogniowa często jest osiągana w wyniku zapalenia się nienagrzewanej powierzchni profili.
O odporności ogniowej ścian nośnych decyduje przede wszystkim osiągnięcie kryterium nośności ogniowej. W zależności od konstrukcji ścian osiągają one klasy odporności ogniowej od REI 30 do REI 240. Z powodu bardzo zróżnicowanej konstrukcji różne są mechanizmy osiągnięcia kryteriów poszczególnych charakterystyk. W przypadku ścian betonowych i murowanych zazwyczaj decydująca jest utrata nośności ogniowej. W przypadku ścian o konstrukcji z płyt warstwowych ze szkieletem nośnym stalowym lub drewnianym i ścian z prefabrykowanych elementów płytowych o uzyskiwanej odporności ogniowej decyduje na ogół osiągnięcie kryterium szczelności ogniowej; należy jednak pamiętać, że tego typu ściany pełnią funkcję nośną w bardzo ograniczonym zakresie (stosunkowo niewielkie obciążenia).
Stropy
Charakterystyka rozwiązań
Stropy konstruowane są z różnych materiałów i w bardzo zróżnicowany sposób. Spośród najczęściej spotykanych stropów o określonej odporności ogniowej należy wymienić stropy:
- betonowe;
- zespolone stalowo-betonowe (z belkami stalowymi, blachą stalową profilowaną);
- drewniane (o bardzo zróżnicowanej konstrukcji);
- z elementów ceramicznych (belki betonowe, stalowe, wypełnienie różnymi rodzajami pustaków);
-
szklane (na belkach stalowych jako konstrukcji nośnej).
Także w przypadku stropów rozmaitość konstrukcji jest ogromna. Każda konstrukcja stropu ma inne właściwości i inne parametry są dla niej istotne zarówno z punktu widzenia normalnego użytkowania, jak i dla oceny odporności ogniowej.
Fot. 5 Strop szklany od strony nienagrzewanej przed badaniem
Metodyka badania odporności ogniowej stropów
Badania odporności ogniowej stropów wykonuje się według normy PN-EN 1365-2:2002 [3]. Najważniejsze zasady wykonywania tych badań są następujące:
- element próbny o wymiarach minimalnych 3 m x 4 m jest badany w orientacji poziomej,
- wielkość stosowanego obciążenia oraz schemat jego przyłożenia podczas badania odpowiada przewidywanemu zakresowi zastosowań stropu,
- element próbny podczas badania pozostaje podparty na krawędziach poprzecznych (obie podłużne krawędzie elementu próbnego pozostają swobodne).
Stosowane są takie same wymagania dotyczące sposobu nagrzewania, kontrolowania ciśnienia w piecu, zasad pomiaru temperatury powierzchni nienagrzewanej czy też pomiaru przemieszczeń.
W zakresie bezpośredniego zastosowania podanym w normie określono, w zależności od uzyskanego rezultatu i przy zachowaniu otrzymanej klasy odporności ogniowej, warianty rozwiązań niewymagające odrębnego potwierdzenia badaniami.
Fot. 6 Strop szklany od strony nienagrzewanej podczas badania (widoczne obciążenie stropu)
Wyniki badań odporności ogniowej stropów
Na odporność ogniową stropów wpływa przede wszystkim ich konstrukcja. W zależności od budowy i przewidywanej nośności ogniowej badane stropy osiągają różne klasy odporności ogniowej od REI 30 do REI 240. Ze względu na bardzo zróżnicowaną konstrukcję różne są mechanizmy osiągnięcia kryteriów poszczególnych charakterystyk. W przypadku stropów betonowych, ceramicznych czy z betonu komórkowego zazwyczaj decydująca jest utrata nośności ogniowej. W przypadku stropów drewnianych często występuje przepalenie i pojawienie się płomienia na powierzchni nienagrzewanej. O uzyskiwanej klasie odporności ogniowej stropów szklanych decyduje przede wszystkim zachowanie się szyb i ich zamocowanie.
Fot. 7 Strop szklany od strony nienagrzewanej po badaniu
Drzwi i okna
Charakterystyka rozwiązań
Drzwi i okna również konstruowane są z różnych materiałów i w bardzo zróżnicowany sposób. Spośród najczęściej spotykanych drzwi i okien o określonej odporności ogniowej należy wyróżnić:
- drewniane, drewnopochodne (drzwi pełne i przeszklone);
- stalowe, płaszczowe (drzwi pełne i przeszklone);
- stalowe, profilowe, przeszklone i pełne;
-
aluminiowe, profilowe, przeszklone i pełne.
Każdy z wymienionych rodzajów drzwi i okien charakteryzuje się innymi właściwościami i inne parametry są istotne zarówno w normalnym użytkowaniu, jak i przy ocenie odporności ogniowej.
Metodyka badania odporności ogniowej drzwi i okien
Badania odporności ogniowej drzwi i okien wykonuje się według normy PN-EN 1634-1:2009 [4]. Najważniejsze zasady wykonywania tych badań są następujące:
- element próbny jest badany z obu stron, poza wyjątkami (od strony zawiasów i od strony przeciwnej);
- konstrukcja mocująca z elementem próbnym podczas badania pozostaje na obu pionowych krawędziach niezamocowana;
- element próbny oceniany jest ze względu na kryteria szczelności ogniowej, izolacyjności ogniowej i natężenia promieniowania;
- stosowane są analogiczne wymagania dotyczące sposobu nagrzewania, kontrolowania ciśnienia w piecu, pomiaru temperatury powierzchni nienagrzewanej czy też pomiaru przemieszczeń;
-
rozmieszczenie punktów pomiaru temperatury i przemieszczeń jest ściśle określone.
Podany w normie zakres bezpośredniego zastosowania określa, w zależności od uzyskanego rezultatu i przy zachowaniu otrzymanej klasy odporności ogniowej, warianty rozwiązań niewymagające odrębnego potwierdzenia badaniami.
Wyniki badań odporności ogniowej drzwi i okien
Wiele czynników istotnie wpływa na odporność ogniową drzwi i okien. W przypadku drzwi i okien o konstrukcji drewnianej lub z wyrobów drewnopochodnych częstym zjawiskiem jest przepalenie skrzydła (ramy) i to ono decyduje o uzyskiwanej klasie odporności ogniowej; rzadziej występuje utrata izolacyjności ogniowej. W przypadku drzwi stalowych na ogół szybciej występuje utrata szczelności ogniowej, zwykle jako skutek deformacji skrzydła; często również następuje przekroczenie izolacyjności ogniowej. W przypadku drzwi stalowych istotną rolę w zachowaniu drzwi odgrywają szczegóły konstrukcyjne. W przypadku elementów przeszklonych z profilami aluminiowymi mechanizm utraty szczelności ogniowej polega na wysunięciu szyby z zamocowania. W przypadku elementów przeszklonych z profilami drewnianymi lub z wyrobów drewnopochodnych szczelność ogniowa często jest osiągana w wyniku zapalenia się nienagrzewanej powierzchni profili.
Fot. 8 Płomień ciągły pomiędzy skrzydłami drewnianych drzwi dwuskrzydłowych
Podsumowanie
Przegrody wewnętrzne oraz drzwi i okna o określonej odporności ogniowej pełnią w budynku ważną funkcję. Konstrukcja tych elementów bywa bardzo zróżnicowana, ale określona klasa odporności ogniowej jest osiągana. Metody badań odporności ogniowej wszystkich elementów oparte są na tym samym scenariuszu pożaru w pełni rozwiniętego oddziałującego na element z jednej strony. Szczegóły różniące poszczególne metody badań wynikają ze specyfiki elementów i różnic w pełnionej przez nie funkcji. Osiągane klasy odporności ogniowej według normy klasyfikacyjnej [5] – od EI 30 (REI 30) do nawet EI 240 (REI 240) – wskazują, że jest możliwe zaprojektowanie i wykonanie elementów spełniających wymagania podane w przepisach techniczno-budowlanych [6].
Bibliografia
1. PN-EN 1364-1:2001 Badania odporności ogniowej elementów nienośnych – Część 1: Ściany.
2. PN-EN 1365-1:2001 Badania odporności ogniowej elementów nośnych – Część 1: Ściany.
3. PN-EN 1365-2:2002 Badania odporności ogniowej elementów nośnych – Część 2: Stropy i dachy.
4. PN-EN 1634-1:2009 Badania odporności ogniowej i dymoszczelności zestawów drzwiowych i żaluzjowych, otwieralnych okien i elementów okuć budowlanych – Część 1: Badania odporności ogniowej drzwi, żaluzji i otwieralnych okien.
5. PN-EN 13501-2+A1:2010 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690).
dr Andrzej Borowy
Instytut Techniki Budowlanej
