Przedstawione w tabeli 1 w części I artykułu wymagania stawiane konstrukcji i przekryciu dachów z zakresu odporności ogniowej każdorazowo określa się na drodze badawczej.
Wymagania szczegółowe z zakresu odporności ogniowej dachów
Przedstawione w tabeli 1 w części I artykułu wymagania stawiane konstrukcji i przekryciu dachów z zakresu odporności ogniowej każdorazowo określa się na drodze badawczej. Metodę określenia odporności ogniowej dachów przedstawiono w normie [6]. Warunki nagrzewania panujące w piecu badawczym (parametry, takie jak: temperatura, ciśnienie, zawartość tlenu, warunki zamocowania i obciążenie elementu próbnego) określone zostały w normie [7].
Rys. 1 Widok i przekrój dachu z blachy trapezowej do badania odporności ogniowej łącznie z obciążeniem podwieszonym i zastępczym obciążeniem od śniegu, gdzie: 1 – obciążenie podwieszone, 2 – obciążenie na blasze, 3 – krawędzie swobodne, 4 – podpory zabezpieczone ogniochronnie, 5 – rama do badań, 6 – nadbudowa pieca
Nagrzewanie elementów próbnych przeprowadza się przy oddziaływaniu ognia od spodu, co odpowiada pożarowi wewnątrz budynku. Badania odporności ogniowej charakteryzują się tym, że elementy badane mają rzeczywiste wymiary, a ograniczeniem są jedynie wymiary pieca do badań. Elementy do badań dachów, aby mogły być reprezentatywne powinny mieć minimalne wymiary 3 × 4 m. Dachy do badań odporności ogniowej wykonywane są jako elementy swobodnie podparte, rozpięte w jednym kierunku. Sposób zamocowania dachu do konstrukcji mocującej (np. mocowanie do stalowych płatwi) powinien reprezentować sytuację rzeczywistą lub/i umożliwiać swobodne przemieszczenia (podłużne) i ugięcia elementu.
Fot. 1 Dach (z rozmieszczonym obciążeniem) z hydroizolacją w postaci papy przed badaniem odporności ogniowej
Fot. 2 Dach (z rozmieszczonym obciążeniem) z hydroizolacją w postaci membrany PVC przed badaniem odporności ogniowej
Fot. 3 Dach od spodu (z rozmieszczonym obciążeniem) przed badaniem odporności ogniowej
Projektując dach, oprócz ciężaru własnego konstrukcji uwzględnia się obciążenia:
– śniegiem,
– wiatrem,
– elementami podwieszanymi do dachów,
– urządzeniami wentylacyjnymi montowanymi na powierzchni dachu itp.
Najbardziej istotnymi rodzajami obciążeń uwzględnianymi w typowych badaniach odporności ogniowej są obciążenie śniegiem i obciążenie elementami podwieszonymi od spodu do dachu.
Fot. 4 Dach z hydroizolacją w postaci membrany PVC oraz termoizolacją w postaci płyt EPS podczas badania odporności ogniowej
Fot. 5 Dach z hydroizolacją w postaci papy oraz termoizolacją w postaci płyt EPS podczas badania odporności ogniowej
Fot. 6 Dach z hydroizolacją w postaci membrany PVC oraz termoizolacją w postaci płyt typu PIR podczas badania odporności ogniowej
W przypadku wyjątkowej sytuacji obliczeniowej (pożar) obiektów znajdujących się w miejscowościach na wysokości poniżej 1000 m (większość miejscowości w Polsce) współczynnik ystosowany w kombinacji oddziaływań ma wartość 0,2 – kombinacje oddziaływań wg normy [8]. W związku z tym do większości badań odporności ogniowej jako symulację obciążenia śniegiem przyjmuje się 20% obciążenia, obliczonego wg normy [9]. Obciążenie podwieszone stosowane jest w przypadku dachów, w których elementem nośnym jest blacha trapezowa lub konstrukcja drewniana. Przy uwzględnianiu podwieszenia w badaniu odporności ogniowej dachu obciążenie nie jest redukowane. Wartość i rozkład obciążenia powinny być takie, aby maksymalny moment i siły poprzeczne powstające w elemencie próbnym były reprezentatywne lub większe niż spodziewane w rzeczywistości. Obciążenie do badania powinno być rozłożone równomiernie poprzez system obciążeń punktowych. Bywa, że oczekiwana wartość wytężenia elementów nośnych wynika wyłącznie z ciężaru własnego konstrukcji dachu (np. wytężenie profili nośnych dachów przeszklonych). W badaniu ogniowym nie stosuj się wówczas dodatkowego obciążenia, co wiąże się jednak z brakiem informacji dotyczących nośności paneli szklanych.
Przykładowe rozwiązanie dachu z blachy trapezowej do badania odporności ogniowej z zastosowanym obciążeniem pokazano na rys. 1.
Fot. 7 Dach z hydroizolacją w postaci membrany PVC oraz termoizolacją w postaci płyt typu PIR w czasie osiągnięcia kryterium szczelności ogniowej w badaniu odporności ogniowej
Fot. 8 Dach z hydroizolacją w postaci membrany PVC oraz termoizolacją w postaci płyt typu PIR w czasie osiągnięcia kryterium szczelności ogniowej w badaniu odporności
Fot. 9 Dach z hydroizolacją w postaci membrany PVC oraz termoizolacją w postaci płyt EPS po badaniu odporności ogniowej (powierzchnia górna)
Rozwiązania konstrukcyjne – typowe układy dachowe weryfikowane podczas badań odporności ogniowej
Badania odporności ogniowej przeprowadza się na różnego rodzaju konstrukcjach dachowych.
Dachy warstwowe składające się z następujących warstw (w kolejności od góry):
– hydroizolacja, np.: membrana dachowa (np. PVC), papa (układy jedno- lub wielowarstwowe), blacha metalowa;
– termoizolacja, np.: płyty styropianowe, płyty ze skalnej wełny mineralnej, płyty typu PIR, PUR, kombinacja wymienionych komponentów;
– paroizolacja z PVC lub bitumiczna;
– część nośna w postaci np.: stalowej blachy trapezowej, płyty żelbetowej, elementów drewnianych, elementów drewnopochodnych.
Dachy współpracują z konstrukcją nośną w postaci belek stalowych lub belek żelbetowych, ewentualnie drewnianych. Dachy (przekrycie dachu) w większości przypadków badane są z obciążeniem podwieszonym – obciążenie realizowane w postaci obciążników stalowych mocowanych do wieszaków. Przykłady dachów przedstawiono na fot. 1–12.
Fot. 10 Blacha trapezowa po demontażu warstw dachowych po badaniu odporności ogniowej
Fot. 11 Dach warstwowy z termoizolacją z płyt EPS po badaniu odporności ogniowej od strony nagrzewanej
Fot. 12 Dach warstwowy z termoizolacją z płyt typu PIR po badaniu odporności ogniowej od strony nagrzewanej
Dachy z płyt warstwowych – płyty dachowe składające się z okładzin metalowych umieszczonych po dwóch stronach trwale zespolonego z nimi rdzenia. Rdzeń pełniący funkcję izolacyjną ma postać wełny mineralnej, poliuretanu, XPS lub EPS.
Dachy (przekrycie dachu) w większości badanych przypadków montowane są na konstrukcji nośnej w postaci belek stalowych. W tego typu rozwiązaniach zazwyczaj nie jest stosowane obciążenie podwieszone z powodu dużo mniejszych nośności w porównaniu z dachami warstwowymi. Przykłady z badań tego typów dachów pokazano na fot. 13–18.
Dachy przeszklone – dachy o konstrukcji krokwiowo-płatwiowej. Elementem nośnym są krokwie i/lub płatwie zazwyczaj aluminiowe lub stalowe. Wypełnienie między elementami nośnymi stanowią panele przeszklone (przezierne). Przykładowe dachy do badań odporności ogniowej z tej grupy pokazano na fot. 19–22.
Fot. 13 Dach z płyt warstwowych od spodu przed badaniem odporności ogniowej
Fot. 14 Dach z płyt warstwowych od góry przed badaniem odporności ogniowej
Fot. 15 Dach z płyt warstwowych z rdzeniem typu PIR od góry podczas badania odporności ogniowej
Inne konstrukcje dachowe
– Dachy, w których elementem nośnym są belki drewniane, wypełnienie stanowi pustka powietrzna lub izolacja w postaci wełny mineralnej, płyt styropianowych lub inny materiał izolujący; okładzinami zewnętrznymi są np. płyty gipsowo-kartonowe, drewnopochodne lub inne; przykłady takich dachów przedstawiono na fot. 23–24.
– Dachy wykonane wyłącznie z blachy trapezowej – tego typu dachy badane są w dwóch zasadniczych celach: jako część nośna dachów warstwowych – w celu weryfikacji wymagań określonych w § 219 rozporządzenia [2] – lub jako dachy stosowane bez żadnych izolacji i warstw dodatkowych; przykłady takich rozwiązań przedstawiono na fot. 25–28.
Fot. 16 Dach z płyt warstwowych z rdzeniem typu PUR od góry podczas badania odporności ogniowej
Fot. 17 Dach z płyt warstwowych z rdzeniem z wełny mineralnej od góry podczas badania odporności ogniowej
Fot. 18 Dach z płyt warstwowych z rdzeniem typu PUR od dołu po badaniu odporności ogniowej
Kryteria skuteczności działania dachów w zakresie odporności ogniowej
Podczas badania sprawdzane są następujące kryteria odporności ogniowej:
-nośność ogniowa (R),
-szczelność ogniowa (E),
-izolacyjność ogniowa (I),
-promieniowanie (W).
Najistotniejszym kryterium skuteczności działania ze względu na odporność ogniową dachów jest ich nośność ogniowa (R),co wynika z normy [7] mówiącej, że jeżeli kryterium nośności ogniowej przestanie być spełniane, kryteria właściwości użytkowych, izolacyjność ogniową i szczelność ogniową należy automatycznie uznać za niespełnione.
W przypadku dachów utrata nośności ogniowej uznawana jest za osiągniętą, gdy oba następujące kryteria zostały przekroczone [10]:
– ugięcie: D = L2/(400 ? d) [mm]
– szybkość narastania ugięcia: dD/dt = L2/(9000 ? d) [mm/min]
gdzie:
L – rozpiętość w osiach podpór [mm],
d – odległość od skrajnego włókna projektowej strefy ściskanej przekroju konstrukcyjnego w temperaturze normalnej do skrajnego włókna projektowej strefy rozciąganej w temperaturze normalnej [mm].
Fot. 19 Dach o konstrukcji przeszklonej podczas badania odporności
Fot. 20 Dach o konstrukcji przeszklonej podczas badania odporności
Fot. 21 Dach o konstrukcji przeszklonej podczas badania odporności ogniowej – początek badania
Drugim najistotniejszym kryterium skuteczności działania ze względu na warunki pożarowe jest kryterium szczelności ogniowej (E)określane również jako funkcja oddzielająca. Szczelność ogniowa to czas wyrażony w pełnych minutach, przez jaki element próbny w trakcie badania utrzymuje swoje funkcje oddzielające bez:
– spowodowania zapalenia się tamponu bawełnianego (tampon nie ulegnie zapaleniu przez 30 sekund od momentu przyłożenia go do elementu próbnego);
– dopuszczenia do penetracji szczelinomierzem (o średnicy 25 mm lub 6 mm na długości 20 cm), który przykładany jest do (powstałej w wyniku działania ognia) szczeliny;
– utrzymywania się płomienia.
Polskie przepisy nie wymagają kryterium izolacyjności (I) dla dachów (przekryć dachowych), ale z powodu oczekiwań wielu inwestorów w większości badań jest ono weryfikowane. Kryterium oceniane jest na podstawie przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni elementu próbnego (przyrost temperatury średniej ograniczony jest do 140°C powyżej początkowej średniej temperatury, natomiast przyrost temperatury maksymalnej w dowolnym punkcie badanego elementu ograniczony jest do 180°C powyżej temperatury początkowej). Punkty pomiaru temperatury określone są w normie badawczej [6] i [7]. Sposób rozmieszczenia termoelementów na powierzchni nienagrzewanej na przykładzie dachu przeszklonego, w przypadku którego wymagana jest izolacyjność ogniowa, pokazano na rys. 2. Termoelementy rozmieszczane są zarówno na elementach profili nośnych, jak i paneli przeszklonych. Kryterium (W) jest możliwe do sprawdzenia, jednakże w praktyce nie jest weryfikowane.
Badanie odporności ogniowej dachu może być zakończone, w przypadku gdy osiągnięte zostały wybrane kryteria odporności ogniowej lub na życzenie zleceniodawcy. Zakończenie badań może nastąpić również wtedy, gdy dalsze prowadzenie badania stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu lub może spowodować uszkodzenie wyposażenia badawczego.
Fot. 22 Dach o konstrukcji przeszklonej podczas badania odporności ogniowej – koniec badania
Fot. 23 Dach z nośnymi belkami drewnianymi (wewnątrz elementu) przed badaniem odporności ogniowej
Fot. 24 Dach z nośnymi belkami drewnianymi po badaniu odporności ogniowej
Zakres zastosowania wyników badań
Bezpośredni zakres stosowania wyników badań został określony w punkcie 13 normy [6], a w przypadku stosowania elementów przeszklonych (dachy przeszklone) dodatkowe wymagania i zakres bezpośredniego zastosowania wyników podano w złączniku do tej normy.
Odporność ogniowa dachów jest funkcją złożoną, zależną od:
– właściwości elementów konstrukcji nośnej, gdzie w przypadku:
– dachów warstwowych jest to blacha trapezowa lub element żelbetowy w postaci płyty żelbetowej, lub elementy drewniane, np. belki wraz z deskowaniem,
– dachów z płyt warstwowych są to okładziny metalowe współpracujące z rdzeniem,
– dachów przeszklonych są to profile aluminiowe lub stalowe przenoszące obciążenia paneli szklanych i obciążenia zewnętrzne,
– innych dachów: różnego rodzaju elementy pełniące funkcję nośną według indywidualnych rozwiązań;
– sposobu połączeń elementów nośnych, np. rozmieszczenia „szycia blachy trapezowej”, połączeń między belkami;
– sposobu mocowania dachów do elementów podporowych – konstrukcji mocującej;
– elementów będących wypełnieniem lub izolacją termiczną, np. w przypadku elementów przeszklonych rodzaj przeszklenia, sposób jego zamocowania;
– współpracy i wzajemnego oddziaływania poszczególnych elementów składowych tworzących dach, przy czym należy zaznaczyć, że ich właściwości ulegają zmianom z czasem oddziaływania wysokiej temperatury.
Zakres bezpośredniego zastosowania wyników badań dachów bez przeszkleń jest bardzo wąski, a zapisy normy [6] na jego temat mówią niewiele. W normie określono jedynie, iż wynik badań dla dachu bez przeszkleń stosowany jest do podobnych konstrukcji dachowych, w których moment i siły poprzeczne, obliczone na tej samej podstawie co obciążenie podczas badania, nie będą większe niż występujące w czasie badania ogniowego. Dodatkowo określony został zakres kątów nachylenia dachu w zależności od rodzaju konstrukcji dachu lub pełnionej funkcji w obiekcie. Dla przykładu dla dachów jedno- lub dwuspadowych, badanych przy kącie ≤ 10o, norma [6] dopuszcza zakres stosowania od 0° do 15o; zakres 15o–45o jest możliwy jeżeli element badano przy kącie nachylenia 30o.
Fot. 25 Dach w postaci stalowej blachy trapezowej przed badaniem odporności ogniowej
Fot. 26 Dach w postaci stalowej blachy trapezowej przed badaniem odporności ogniowej od strony nagrzewanej
W przypadku dachów z przeszkleniami, norma PN-EN 1365-2 [6] jest bardziej precyzyjna a opisany w niej zakres bezpośredniego zastosowania obejmuje wytyczne dotyczące:
– wymiarów liniowych paneli,
– odległości między ryglami i/lub belkami nośnymi,
– listew przyszybowych,
– kształtu szyb (płaskich),
– rozpiętości dachu,
– kąta nachylenia dachu (możliwy zakresy zastosowania: 0o–80o, jeżeli dach badano w poziomie; 15o–80o, jeżeli element próbny nachylony był pod kątem 45o, lub ± 15o względem zbadanego kąta z ograniczeniem do 80o),
– konstrukcji mocującej.
Normowe wyrażenie „wyniki badań mają bezpośrednie zastosowanie do podobnych, niebadanych, konstrukcji dachowych” nie jest precyzyjne. W związku z tym na podstawie analizy wyników badań odporności ogniowej dachów warstwowych opracowano podstawowe zasady ustalenia zakresu obowiązywania wykraczające poza zakres bezpośredniego zastosowania wyników badań określony w normie [6].
W tego typu dachach zwraca się szczególną uwagę na:
– zakres rozpiętości oraz ściśle związany z nim sposób mocowania połaci dachu do konstrukcji mocującej, np. stalowej blachy trapezowej do płatwi stalowych lub deskowania do belek drewnianych;
– typ konstrukcji mocujących;
– zakres stosowania wielkości obciążenia podwieszonego;
– maksymalny poziom wykorzystania obciążenia ze względu na nośność blachy (w przypadku dachów z częścią nośną w postaci stalowej blachy trapezowej);
– maksymalny poziom wykorzystania nośności krokwi/belek (w przypadku dachów z częścią nośną w postaci elementów drewnianych);
– zakres stosowanych warstw hydroizolacji, termoizolacji, paroizolacji oraz dodatkowych możliwych stosowanych warstw, np. włókniny szklanej.
Zakres bezpośredniego stosowania wyników badań odporności ogniowej dachów wykonywanych z płyt warstwowych określony był również w normie PN-EN 14509 Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową [12]. 6 grudnia 2013 r. Polski Komitet Normalizacyjny zatwierdził aktualizację normy z 2013 r. (zastępując normę z 2010 r.), a w roku 2014 wprowadził ją do stosowania. Norma w nowej wersji nie obejmuje już bezpośredniego zakresu stosowania wyników odporności ogniowej dachów.
Fot. 27 Dach w postaci stalowej blachy trapezowej podczas badania odporności ogniowej od strony nienagrzewanej
Fot. 28 Dach w postaci stalowej blachy trapezowej po badaniu odporności ogniowej od strony nagrzewanej (widoczne charakterystyczne „przełamanie” blachy w połowie rozpiętości elementu)
W zakresie bezpośredniego zastosowania wyników badań odporności ogniowej dachów przeszklonych nie dopuszcza się zmian innych niż wymienione wyżej, m.in. nie istnieje możliwość zwiększenia rozpiętości elementów. Przy ograniczonych wymiarach pieców badawczych implikuje to konieczność projektowania dachów przeszklonych tylko w układzie powielania modułów, które mogą uzyskać klasyfikację w zakresie odporności ogniowej w wyniku przeprowadzenia badań. Tego typu podejście, chociaż bardzo bezpieczne, znacznie ogranicza swobodę projektowania dachów przeszklonych [12].
Równocześnie określone w normie [6] zasady obowiązujące przy projektowaniu elementu próbnego oraz zakres bezpośredniego zastosowania wyników powodują, że w przypadku potrzeby klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej dachów przeszklonych o przewidywanym szerokim zakresie stosowania (dotyczy to zwłaszcza systemów profilowych) liczba koniecznych do przeprowadzenia badań jest znaczna. Problem potęgują wysokie koszty przeprowadzenia badania oraz ograniczenia wynikające z możliwości pieców badawczych (zwłaszcza jeśli chodzi o rozpiętości elementów badanych) [12].
W przypadku dachów przeszklonych w Zakładzie Badań Ogniowych ITB opracowane zostały zasadyobowiązywania wykraczające poza zakres bezpośredniego zastosowania wyników badań określony w normie [6]. Przyjęto ostatecznie, że klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej pozostaje ważna w odniesieniu do rozwiązań projektowych odbiegających od konstrukcji badanych, jeżeli:
– maksymalne obliczeniowe wytężenia elementów profilowych zaprojektowanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych są nie większe niż obliczone wytężenia dla elementów profilowych badanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych;
– maksymalne stosunki projektowych ugięć elementów profilowych zaprojektowanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych do rozpiętości tych elementów profilowych są nie większe niż stosunki obliczone dla elementów profilowych badanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych;
– maksymalne charakterystyczne obciążenia (użytkowe, obciążenie śniegiem, obciążenie wiatrem i in.) w warunkach normalnych są nie większe niż w badaniu;
– w przypadku stalowej konstrukcji nośnej zabezpieczonej ogniochronnie podawana temperatura krytyczna dla elementów profilowych zaprojektowanej konstrukcji nośnej po czasie wynikającym z nadanej klasy odporności ogniowej powinna być nie wyższa niż temperatura krytyczna wyznaczona dla elementów profilowych badanej konstrukcji nośnej.
Rys. 2 Przykładowy rozkład termoelementów na powierzchni nienagrzewanej dachu przeszklonego wg [6], gdzie 1 – krawędź zamocowana (lub druga swobodna krawędź), 2 – krawędź swobodna, 3 – rama do badania, konstrukcja stowarzyszona lub konstrukcja mocująca, W – szerokość, L – długość rozpiętości
Klasyfikacja dachów na podstawie badań odporności ogniowej
Norma PN-EN 13501-2+A1:2010 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnych [10], przewiduje następujące klasy odporności ogniowej w przypadku dachów:
– niepełniących funkcji oddzielającej w przypadku pożaru: R 15, R 20, R 30, R 45, R 60, R 90, R 120, R 180, R 240 i R 360;
– pełniących funkcję oddzielającą w przypadku pożaru: RE 20, RE 30, RE 60, RE 90, RE 120, RE 180, RE 240, REI 15, REI 20, REI 30, REI 45, REI 60, REI 90, REI 120, REI 180, REI 240.
dr inż. Paweł Sulik
ITB, Zakład Badań Ogniowych
Szkoła Główna Służby Pożarniczej
mgr inż. Paweł Roszkowski
ITB, Zakład Badań Ogniowych
Ilustracje: archiwum ITB
Literatura
1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (EU) nr 305/2011 z 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (z późniejszymi zmianami).
3. PN-EN 13501-1:2008 A1:2010 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień.
4. PN-ENV 1187:2004 A1:2007 Metody badań oddziaływania ognia zewnętrznego na dachy.
5. Instrukcja ITB 401/2004 Przyporządkowanie określeniom występującym w przepisach techniczno-budowlanych klas reakcji na ogień według PN-EN.
6. PN-EN 1365-2:2014 Badania odporności ogniowej elementów nośnych – Część 2: Stropy i dachy.
7. PN-EN 1363-1:2012 Badania odporności ogniowej – Część 1: Wymagania ogólne.
8. PN-EN 1990:2004/A1:2008 Eurokod – Podstawy projektowania konstrukcji.
9. PN-EN 1991-1-3:2005/NA 2010 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-3: Oddziaływania ogólne – Obciążenie śniegiem.
10. PN-EN 13501-2+A1:2010 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnych.
11. PN-EN 14509:2013 Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową.
12. A. Borowy, B. Wróblewski, Z. Musielak, Ocena odporności ogniowej dachów przeszklonych o konstrukcji stalowej, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 283, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, z. 59. nr 3/2012/2.
