Zasady oceny odporności ogniowej dachów o konstrukcji drewnianej

Dachy spełniają funkcję nośną oraz oddzielającą i są klasyfikowane ze względu na kryteria nośności i szczelności ogniowej (RE) lub nośności, szczelności i izolacyjności ogniowej (REI). Wymagania dotyczące odporności ogniowej dachów nie przekraczają 30 min. Wymagane klasy odporności ogniowej wynoszą w przypadku budynków klasy odporności pożarowej A i B – RE 30, a w przypadku budynków klasy odporności pożarowej C – RE 15.

Jeżeli poddasze użytkowe przeznaczone jest na cele mieszkalne lub biurowe, to palna konstrukcja poddasza, a więc w zasadzie konstrukcja drewniana, powinna być wydzielona przegrodami klasy EI 30 lub EI 60, czyli dach powinien spełniać wymagania klasy REI 30 lub REI 60. Badań odporności ogniowej dachów jest stosunkowo mało, gdyż z uwagi na pochylenie połaci dachowych są one trudne do przeprowadzenia [3].

W artykule przedstawiono metodę badania odporności ogniowej, przykładowe badania dachów i zasady klasyfikacji oraz zasady oceny w zakresie odporności ogniowej dachów o konstrukcji drewnianej.

Badania odporności ogniowej dachów – zasady ogólne

Badania odporności ogniowej dachów przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN 1365-2:2002 [4]. W badaniach tych oddziaływaniom termicznym powinien być poddany element o wymiarach: długość (Lexp) – 4 m, szerokość (Wexp) – 3 m.

Dachy bada się przy nagrzewaniu od spodu zgodnie z krzywą normową temperatura–czas:

T = 345log₁₀(8t + 1) + 20,

gdzie:

T – jest średnią temperaturą w piecu [°C],

t – jest czasem [min].

Ciśnienie w piecu badawczym w trakcie badania rejestrowane jest na poziomie 100 mm od spodu dachu w połowie jego wysokości i musi wynosić 20 Pa z tolerancją podaną w normie PN-EN 1363-1:2001 [5]. Kąt nachylenia dachu – elementu próbnego ustala się przed badaniem i ma to związek z klasyfikacją ogniową. W elemencie próbnym można stosować drewno nieimpregnowane – impregnacja drewna środkami ochrony ppoż. ma zasięg kilku mm [6] i nie ma większego wpływu na prędkość zwęglania drewna.

Impregnowane drewno zapala się w pożarze o kilka minut później, natomiast w dalszej fazie pożaru jest bardziej zwęglone. Według Eurokodu 5 [7] przyjmuje się:

• dla iglastego i bukowego drewna litego o gęstości charakterystycznej ≥ 290 kg/m3 βn = 0,8 mm/min,
• dla iglastego i bukowego drewna klejonego o gęstości charakterystycznej ≥ 290 kg/m3 βn = 0,7 mm/min,
• dla płyt ze sklejki z drewna liściastego o grubości co najmniej 20 mm, o gęstości charakterystycznej 450 kg/m3 β0 = 1,0 mm/min,
• dla płyt okładzin z drewna liściastego o grubości co najmniej 20 mm, o gęstości charakterystycznej 450 kg/m3 β0 = 0,9 mm/min,

gdzie:

β_n – obliczeniowa prędkość zwęglania z uwzględnieniem wpływu na zaokrąglenia narożników oraz szczelin,

β₀ – obliczeniowa prędkość zwęglania jednokierunkowego w warunkach pożaru standardowego. Element próbny powinien być poddany obciążeniom wyznaczonym zgodnie z PN-EN 1363-1:2002 [5]. Wartości i rozkład obciążenia powinny być takie, aby siły wewnętrzne powstające w elemencie próbnym były reprezentatywne dla sytuacji rzeczywistej. Na podstawie obserwacji meteorologicznych i prawdopodobieństwa jednoczesnego występowania pożaru i obciążeń śniegiem oraz wiatrem [8] przyjęto dla obciążenia śniegiem wartość współczynnika Ψ1 = 0,2. Według mapy obciążenia śniegiem (rys. i tabela zgodnie z normą PN- -EN 1991-1-3:2005 [9]) obciążenie śniegiem, które należy uwzględnić przy ocenie nośności konstrukcji w warunkach pożaru, wynosi więc: 

• dla strefy 1 – Ψ₁×S_k = 0,2×0,7 kN/m² = 0,14 kN/m²,
• dla strefy 2 – Ψ₁×S_k = 0,2×0,9 kN/m² = 0,18 kN/m²,
• dla strefy 3 – Ψ₁×S_k = 0,2×1,2 kN/m² = 0,24 kN/m²,
• dla strefy 4 – Ψ₁×S_k = 0,2×1,6 kN/m² = 0,32 kN/m²,
• dla strefy 5 – Ψ₁×S_k = 0,2×2,0 kN/m² = 0,40 kN/m².

Poza tym w badaniach odporności ogniowej dachów uwzględnia się charakterystyczne wartości obciążeń od ciężaru własnego dachu oraz elementów podwieszonych, takich jak sufity, przewody wentylacyjne, instalacje elektryczne, instalacje tryskaczowe itp.

Charakterystyka konstrukcji badanych dachów

Konstrukcje dachów z obudową od spodu w postaci sufitu podwieszonego z płyt z wełny mineralnej sprasowanej mają najczęściej następujący układ warstw w przekroju poprzecznym od strony zewnętrznej:

• połać dachowa – dachówka ceramiczna, betonowa lub blachodachówka, ułożone na łatach i kontrłatach,
• elementy nośne dachu – dźwigary kratowe z drewna iglastego wysokiej klasy, np. C30, elementy drewniane dźwigarów, pas górny, dolny, krzyżulce, słupki, połączone za pomocą stalowych płytek kolczastych,
• folia wiatroizolacyjna,
• izolacja termiczna ułożona pomiędzy pasami dolnymi dźwigarów – najczęściej wełna szklana o grubości min. 15 cm,
• folia paroizolacyjna – PE,
• sufit podwieszony z płyt z wełny mineralnej sprasowanej, na ruszcie z systemowych stalowych profili zimnogiętych, na wieszakach stalowych zamocowanych do dolnych pasów dźwigarów.

Konstrukcje dachów z obudową od spodu z płyt gipsowo-kartonowych lub gipsowo-włóknowych mają najczęściej następujący układ warstw w przekroju poprzecznym od strony zewnętrznej (od góry): połać dachowa – dachówka ceramiczna, betonowa lub blachodachówka, folia wiatroizolacyjna, łaty, kontrłaty, konstrukcja nośna – krokwie drewniane o min. klasie drewna C18, izolacja termiczna i akustyczna w postaci wełny mineralnej skalnej lub wełny mineralnej szklanej o min. grubości 15 cm, ułożona na drutach lub między krokwiami lub na profilach stalowych, stalowe profile zimnogięte zamocowane do krokwi za pomocą łączników systemowych, folia PE, okładziny z płyt gipsowo-kartonowych typu F lub gipsowo-włóknowych.

Wyniki badań

Badaniom poddano dach o konstrukcji nośnej z dźwigarów drewnianych kratowych z lekkim sufitem podwieszonym.

Wartości wykorzystania naprężeń od obciążeń charakterystycznych w poszczególnych elementach dźwigara kratowego wynosiły: w pasie górnym – ok. 53%, w pasie dolnym – ok. 67%, w krzyżulcach – od 17 do 21%. Na fot. 1, 2, 3 pokazano widok elementu próbnego przed badaniem. W efekcie badań dach po zniszczeniu sufitu podwieszonego uległ całkowitemu zawaleniu do pieca. Badany był również dach o konstrukcji nośnej z krokwi z drewna sosnowego klasy C24, z okładzinami z płyt gipsowo-kartonowych typu F o grubości 2×15 mm. Fot. 3 i 4 przedstawiają dach przed badaniem, a fot. 5 – dach po badaniu od strony okładzin. W trakcie przeprowadzanych badań dach przepalił się na wylot (badany był bez połaci dachowej).

Klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej dachów drewnianych

Klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej dachów dokonuje się na podstawie wyników badań odporności ogniowej według kryteriów normy PN-EN 13501- -2:2007 [10] oraz kryteriów normy PN-B- -02851-1:1997 [11].

W klasyfikacji ogniowej należy również podać warunki, jakie powinny spełniać drewniane elementy nośne dachu, czyli minimalne wymiary i maksymalny stopień wykorzystania nośności. Jeśli badany jest dach dwu- lub jednospadowy o nachyleniu ≤ 10°, klasyfikacja ogniowa obejmuje dachy o kącie nachylenia od 0° do 25°. Jeśli badany jest dach dwu- lub jednospadowy o nachyleniu 25°, klasyfikacja ogniowa obejmuje dachy o kącie nachylenia od 15° do 45°. Jeśli badany jest dach dwu- lub jednospadowy o nachyleniu 30°, klasyfikacja ogniowa obejmuje dachy o kącie nachylenia od 20° do 50°. W badaniach odporności ogniowej dachów o konstrukcji drewnianej przeprowadzonych w Instytucie Techniki Budowlanej uzyskano klasy odporności ogniowej od REI 15, REI 20, REI 30 do REI 45.

Ocena odporności ogniowej dachów drewnianych

Przy ocenie odporności ogniowej dachów drewnianych należy określić nośność ogniową R i szczelność ogniową E.

Nośność ogniowa R

Nośność ogniową R elementów drewnianych, takich jak krokwie, dźwigary z drewna klejonego, można obliczać według Eurokodu 5 [7]. W Eurokodzie 5 [7] podane są procedury projektowania oraz wzory i przykłady obliczania nośności i zasięgu zwęglenia konstrukcji drewnianych w warunkach pożaru. Przy ustalaniu procedury projektowania należy ustalić m.in.:

• oddziaływanie termiczne wywołane pożarem,
• czego dotyczy analiza – elementu, części konstrukcji czy całej konstrukcji,
• oddziaływania mechaniczne i warunki brzegowe,
• proste lub zaawansowane modele obliczeniowe.

Zazwyczaj przyjmuje się, że krokwie nieosłonięte płytami i sufitem podwieszonym w warunkach pożaru narażone są na działanie ognia z trzech stron. I tak np. dla 15-minutowego oddziaływania standardowego pożaru zwęglenie nieosłoniętych krokwi z drewna iglastego z obu stron krokwi i od spodu według szacunkowych obliczeń wyniesie: 15 min×0,8 mm/min = 12 mm. Po zredukowaniu przekroju poprzecznego rozpatrywanej krokwi o 12 mm z trzech stron można policzyć nośność, przyjmując dla uproszczenia wytrzymałość drewna w warunkach normalnych i zredukowany przekrój krokwi – jest to metoda szacunkowa. Dokładna metoda obliczeń nośności podana jest w Eurokodzie 5 [7]. Uwzględnia ona również m.in. zmiany wytrzymałościowe drewna w podwyższonej temperaturze, wpływ łączników itd. W przypadku elementów drewnianych osłoniętych okładzinami ogniochronnymi w Eurokodzie 5 [7] podano zmiany głębokości zwęglenia w czasie na wykresach i w postaci wzorów dla różnych materiałów osłaniających (np. wełny mineralnej skalnej, płyt gipsowo-kartonowych itp.). Belki z drewna litego i dźwigary z drewna klejonego o najmniejszym wymiarze przekroju co najmniej 14 cm klasyfikuje się jako nierozprzestrzeniające ognia NRO zgodnie z instrukcją ITB nr 401/2004 [2].

Szczelność ogniowa E

Szczelność ogniowa E przekryć drewnianych dachów jest możliwa do oszacowania na podstawie wyników badań podobnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych, nie ma natomiast metody obliczeniowej do określenia tego parametru. Czas do pojawienia się w przekryciu dachowym na skutek pożaru szczelin i otworów, przez które będą przedostawać się płomienie i gorące gazy na nienagrzewanej powierzchni, jest trudny do określenia, nawet jeśli znane są wyniki badań odporności ogniowej podobnych rozwiązań z uwagi na wpływ wielu czynników. Na szczelność ogniową mają wpływ m.in. następujące czynniki:

• rodzaj płyt ogniochronnych osłaniających od spodu konstrukcję dachu (płyty gipsowo-kartonowe typu F czy płyty gipsowo- włóknowe, sufit z płyt z wełny mineralnej sprasowanej),
• izolacja (wełna mineralna skalna lub szklana),
• folie (paroszczelna i wiatroizolacyjna),
• materiał na połaci dachowej.

Płyty z wełny mineralnej skalnej ułożone szczelnie między krokwiami na drucie stalowym w razie pożaru nie spadają od razu po zniszczeniu płyt ogniochronnych i zwiększają odporność ogniową dachu o kilka minut.

Ocena odporności ogniowej wybranych dachów drewnianych tradycyjnych

Do oceny odporności ogniowej wybrano następujące dachy tradycyjne:

• dach drewniany z pokryciem z gontów dach drewniany kryty dachówką ceramiczną,
• dach drewniany kryty eternitem.

Dach drewniany z pokryciem z gontów

Dachy drewniane z pokryciem z gontów zazwyczaj mają pochylenie połaci dachowych od 39° do 51°. Do produkcji gontów stosuje się zależnie od okolicy: drewno modrzewiowe, świerkowe, jodłowe, sosnowe lub osikowe. Gonty łupane używane do krycia dachów mają przeważnie 32 cm długości i 8–10 cm szerokości. Jedna ich strona – podłużna – jest ostro zakończona w kształcie klina, druga – grubsza – ma wpust przeznaczony do umieszczenia ostrego brzegu drugiego gontu, który musi ściśle przylegać do pierwszego. Gonty o pojedynczej lub podwójnej warstwie przybija się do łat rozstawionych od 13 do 37 cm. Kalenice pokrywa się z reguły podwójnie i chroni przed zaciekami przez wysunięcie gontów poza krawędź grzbietu. Każdy z nich jest przybity dwoma gwoździami – gontalami do łat dachowych. Przy założeniu, że konstrukcja nośna zaprojektowana jest i wykonana zgodnie z polskimi normami i instrukcjami [12, 13 i 14] oraz przepisami techniczno-budowlanymi [15 i 16], to w przypadku pożaru elementem najsłabszym będą łaty. Na skutek ich zwęglenia nastąpi utrata ich nośności i połać dachowa ulegnie zawaleniu. Przy zastosowaniu np. łat o przekroju 30×40 mm ich zniszczenie może nastąpić po 5–7 min pożaru. Przy szczelnie ułożonych gontach o podwójnej warstwie przepalenie ich na wylot w tym czasie nie powinno jeszcze nastąpić. Pokryte gontem dachy zabytkowe zabezpiecza się przed pożarem przez montaż instalacji tryskaczowej, stały monitoring, czujki dymowe i montaż instalacji odgromowej.

Dach drewniany pokryty dachówką ceramiczną

Pokrycia dachów wykonane z dachówek ceramicznych należą do pokryć ciężkich (700–800 N/m2) i materiałochłonnych, gdyż na łaty pod dachówkę trzeba zużyć ok. 30% drewna potrzebnego na całą więźbę dachową. Analizuje się dach o układzie warstw od góry:

• dachówki ceramiczne na łatach i kontrłatach,
• folia wiatroizolacyjna,
• izolacja termiczna z wełny mineralnej skalnej,
• folia paroszczelna,
• konstrukcja nośna zaprojektowana i wykonana zgodnie z polskimi normami,
• obudowa z płyt gipsowo-kartonowych  F o grubości 15 mm na profilach stalowych zimnogiętych.

Na podstawie wyników badań podobnych rozwiązań ocenia się klasę odporności ogniowej takiego dachu – RE 15 według kryteriów normy PN-EN 13501-2:2007 [10]. Dach drewniany kryty eternitem Dach kryty eternitem nie należy do dachów drewnianych tradycyjnych. Jednak ze względu na masowe występowanie w Polsce i nakaz UE usunięcia eternitu i jego utylizowania, gdyż jest szkodliwy dla zdrowia, postanowiono ocenić odporność ogniową przykładowego dachu z eternitem. Dachy kryte eternitem wykonywano w Polsce masowo w latach 60. i 70., ponieważ był to materiał dostępny, tani, trwały i łatwy w montażu. W budynkach jednorodzinnych z poddaszem nieużytkowym często na łatach drewnianych przybijano eternit gwoździami, łaty były przybite do więźby dachowej – do krokwi, a cały dach nie miał izolacji termicznej. Czasami na dachu znajdowało się dodatkowo deskowanie przybite do krokwi, na deskowaniu – papa, a na niej układane były łaty i eternit. Podczas pożaru na poddaszu nagrzany eternit eksplozyjnie odpryskuje i się rozpada. Ocenia się, że w opisywanych przypadkach może to nastąpić po 5–10 min.

Podsumowanie

O odporności ogniowej dachów drewnianych decyduje na ogół zachowanie poziomej przepony oddzielającej konstrukcję drewnianą od ognia, a nie nośność konstrukcji. Po przedostaniu się ognia przez sufit podwieszony lub podsufitkę w ciągu 2– 3 min ulegają zniszczeniu drewniane łaty i połać dachowa, dach traci szczelność ogniową, elementy kratowe nie ulegają zniszczeniu, lecz się przewracają z powodu braku usztywnień, a krokwie stanowią palący się szkielet dachu. Poziome przepony w przestrzeni sufitu podwieszonego lub podsufitki są bardzo wrażliwe na jakość wykonania. Niedokładności, wprowadzenie naprężeń na skutek „dociągania” płyt i dodatkowe nieuwzględnione w badaniach obciążenie – to przyczyny znacznie szybszego zniszczenia tych elementów i tym samym znacznego obniżenia odporności ogniowej dachu. Luźno ułożona na płytach sufitu wełna mineralna nie stanowi żadnego zabezpieczenia, gdyż spada natychmiast po zniszczeniu płyt podsufitki. Wprowadzenie siatki lub „wężyka” z drutu zapobiega wypadaniu płyt z wełny mineralnej i pozwala na znaczne zwiększenie odporności ogniowej dachu.

Literatura

1. PN-EN 13501-1:2004 „Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 1: Klasyfikacja na podstawie badań reakcji na ogień”.
2. Instrukcja ITB nr 401/2004 „Przyporządkowanie określeniom występującym w przepisach techniczno-budowlanych klas reakcji na ogień wg PN-EN”, Warszawa 2004.
3. M. Kosiorek, B. Wróblewski, „Odporność ogniowa dachów o konstrukcji drewnianej”, Konferencja Naukowo-Techniczna, Krynica 2007.
4. PN-EN 1365-2:2002 „Badania odporności ogniowej elementów nośnych. Część 2: Stropy i dachy”.
5. PN-EN 1363-1:2001 „Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne”.
6. A. Kolbrecki, „Możliwość jednoczesnego zabezpieczenia drewna przed korozją biologiczną i pożarem”, Konferencja Naukowo-Techniczna KONTRA 1998”, Zakopane. 7.
7. prPN-EN 1995-1-2, Eurokod 5 „Projektowanie konstrukcji drewnianych. Część 1–2: Postanowienia ogólne. Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe”.
8. M. Kosiorek, B. Wróblewski, „Zasady przyjmowania obciążeń w badaniach odporności ogniowej przekryć dachowych”, ITB, Warszawa 2005.
9. PN-EN 1991-1-3:2005 „Podstawy projektowania konstrukcji. Oddziaływania na konstrukcje. Obciążenie śniegiem”.
10. PN-EN 13501-2:2007 „Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej”.
11. PN-B-02851-1:1997 „Ochrona przeciwpożarowa budynków. Badania odporności ogniowej elementów budynków. Wymagania ogólne i klasyfikacja”.
12. PN-B-03150:2000 „Konstrukcje drewniane. Obliczenia statyczne i projektowanie”.
13. PN-EN 1990, Eurokod 1 „Podstawy projektowania konstrukcji”.
14. Instrukcja ITB nr 403/2004 „Warunki techniczne wykonywania i odbioru robót budowlanych. Zeszyt 4: Konstrukcje drewniane”, ITB, Warszawa 2004
15. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690; zm.: DzU z 2003 r. nr 33, poz. 270; z 2004 r. nr 109, poz. 1156).
16. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU z 2006 r. nr 156, poz. 1118; zm.: DzU z 2006 r. nr 170, poz. 1217; z 2007 r. nr 88, poz. 587, nr 99, poz. 665).
17. PN-EN 386:2002 „Drewno klejone warstwowo. Wymagania eksploatacyjne i minimalne wymagania produkcyjne”.
18. PN-EN 338:204 „Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości”

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!