Odporność ogniowa ścian i dachów z płyt warstwowych - badania i klasyfikacja

Od kilku lat produkowane są:

• płyty warstwowe dachowe z rdzeniem poliuretanowym z ­górną okładziną z blachy falistej i spodnią okładziną z blachy ­płaskiej, przeznaczone do budownictwa jednorodzinnego i rolniczego,
• płyty warstwowe ścienne z rdzeniem poliuretanowym, styropianowym lub z wełny mineralnej z okładzinami z blachy stalowej nierdzewnej lub kwasoodpornej, przeznaczone do stosowania w chłodniach, budynkach magazynowych lub produkcyjnych przemysłu spożywczego,
• płyty warstwowe dachowe z rdzeniem poliuretanowym z okładzinami górnymi i dolnymi z blachy stalowej trapezowej, przeznaczone m.in. do stosowania na dachach o większym ­rozstawie płatwi niż w wypadku płyt warstwowych z okładziną dolną płaską (większa nośność płyt z okładzinami trapezowymi).

Historia produkcji płyt warstwowych

Pierwsza fabryka płyt warstwowych w Europie powstała w Niemczech w 1951 r. Produkowano w niej płyty warstwowe z rdzeniem z wełny mineralnej.

W Polsce pierwsza fabryka płyt warstwowych powstała w Obornikach Wielkopolskich w 1974 r. Wytwarzano w niej ścienne i dachowe płyty warstwowe z rdzeniem poliuretanowym PW-8. W latach 70. i 80. XX w. zaprojektowano z tych materiałów wiele budynków handlowych, magazynowych, chłodni i hal produkcyjnych, które nadal są użytkowane.

Technologia płyt z rdzeniem styropianowym powstała w Australii. W Polsce pierwszą linię uruchomiono w 1991 r. Od tego czasu nastąpił bardzo szybki rozwój produkcji płyt z rdzeniem styropianowym i obecnie w Polsce jest ponad 20 producentów oferujących tego typu materiały.

Obiekty, takie jak chłodnie, mroźnie, magazyny, hale produkcyjne, obiekty handlowe wybudowane wiele lat temu z płyt warstwowych z rdzeniem styropianowym, funkcjonują do tej pory i są w dobrym stanie technicznym.

Badania i klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej ścian nienośnych z płyt warstwowych

Badania odporności ogniowej ścian nienośnych przeprowadza się według norm PN-EN 1364-1:2001 [1] i PN-EN 1363-1:2001 [2]. Nagrzewanie odbywa się zgodnie z krzywą temperatura – czas według wzoru (1) przy działaniu ognia od strony pomieszczenia.

T = 345·log (8·t + 1) + 20 (1).

W wypadku działania ognia od strony zewnętrznej budynku nagrzewanie odbywa się według tzw. krzywej zewnętrznej zgodnie ze wzorem (2).

T = 660·[1 – 0,687·exp (–0,32·t) – 0,313·exp (–3,8·t)] + 20 (2),

gdzie:

T – temperatura nagrzewania [°C],

t – czas [min].

Elementem badanym jest ściana nienośna o wymiarach co najmniej 3×3 m (szerokość × wysokość). Z trzech stron element musi być zamocowany, a jedna krawędź musi pozostać niezamocowana (krawędź swobodna).

Aneks B do normy PN-EN 1364-1:2001 [1] zaleca przeprowadzenie badania odporności ogniowej nienośnych ścian z płyt warstwowych według następujących zasad montażu:

• w wypadku poziomego montażu płyt warstwowych płyty należy montować do pionowych słupów zabezpieczonych ogniochronnie, a krawędź swobodną należy wykonać u góry badanego elementu;
• w wypadku pionowego montażu płyt warstwowych płyty należy montować do poziomych rygli zabezpieczonych ogniochronnie, należy wykonać pionową krawędź swobodną z jednej strony – przy płycie warstwowej o pełnej szerokości.

Na podstawie wyników przeprowadzonych badań odporności ogniowej opracowywana jest klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej ścian nienośnych zgodnie z p. 13 normy PN­‑EN 1364­‑1:2001 [1] i kryteriami normy klasyfikacyjnej PN-EN 13501­‑2+A1:2010 [3].

Zgodnie z tymi normami maksymalna wysokość sklasyfikowanych ścian przy orientacji pionowej płyt warstwowych może wynosić 4 m, a przy orientacji poziomej płyt warstwowych rozpiętość – również 4 m.

Od 2005 r. nad opracowaniem zasad rozszerzonego zastosowania wyników badań odporności ogniowej ścian z płyt warstwowych, w tym zwiększenia wysokości lub rozpiętości klasyfikowanych ścian ponad 4 m, pracuje grupa robocza CEN TC127/WG1/TG4. W jej składzie znaleźli się przedstawiciele dużych firm produkujących płyty warstwowe oraz przedstawiciele ośrodków badawczych.

W wyniku prac tej grupy opublikowana została norma PN-EN 15254:2010 [4], która umożliwia rozszerzenie zakresu zastosowania nadawanej klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej.

Aby powiększyć wymiary ścian, norma wymaga prowadzenia dodatkowych pomiarów ugięć i rozszerzania się złączy płyt warstwowych w ścianach nienośnych podczas badań odporności ogniowej elementów o standardowych wymiarach. Na podstawie wyników tych pomiarów oraz obliczeń umożliwia nadanie klasyfikacji ścianom nienośnym o rozstawie słupów lub rygli nawet do 12 m.

Według normy PN-EN 15254-5:2010 [4] kryteria i zasady obliczania dopuszczalnych rozpiętości elementów są następujące:

• podczas badania należy mierzyć różnicę ugięć w środku rozpiętości pomiędzy złączami i środkami sąsiednich płyt (Df) według wzoru:
  
  Δf = (f_j – 0,5·(f₁ + f₂))/L₁(rys. 1),
  
  gdzie:
  f_j – przemieszczenie płyty warstwowej w środku wysokości w złączu,
  f₁, f₂ – przemieszczenia sąsiednich płyt warstwowych w środku wysokości, w środku szerokości,
  L₁ – odległość między środkami płyt;
• należy mierzyć rozwarcie złącza w tych samych miejscach, jak wcześniej wymienione, (Δc) według wzoru:
  
  Δc = (c₂ – c₁)/L₂(rys. 2),
  
  gdzie:
  c₁ – rozwarcie złącza płyt warstwowych w połowie wysokości na początku badania,
  c₂ – rozwarcie złącza płyt warstwowych w połowie wysokości w czasie odpowiadającym odpowiedniej klasie, minuta badania,
  L₂ – długość wpustu w złączu płyt warstwowych;
• jeśli w badanym 3-metrowym elemencie próbnym nie było mocowań pomiędzy płytami, stosuje się następujące zasady:
  
  – rozszerzenie jest możliwe, tylko jeśli Δc ≤ 0,5;
  – jeśli Δf ≤ 0,01, rozpiętość może być zwiększona do 12 m z zachowaniem tej samej klasyfikacji, jaką uzyskał element badany;
  – jeśli Δf > 0,06, rozpiętość może być zwiększona do 4 m z zachowaniem tej samej klasyfikacji, jaką uzyskał element badany, zgodnie z bezpośrednim zakresem zastosowania wyników badania;
  – wartości pomiędzy 0,01 i 0,06 mogą być obliczone przez interpolację; pomiary do obliczenia Δc i Δf należy prowadzić podczas całego badania; przy obliczaniu dopuszczalnej rozpiętości należy wykorzystać wartości zmierzone w czasie odpowiadającym odpowiedniej klasie – oznacza to, że dla tych samych płyt różne rozpiętości mogą być dopuszczalne dla różnych klas; aby to zrobić, muszą być spełnione kryteria dla Δc;
• jeśli zamocowania są zastosowane w złączach pomiędzy płytami, rozpiętość może być zwiększona do 12 m, o ile typ zamocowania i rozstaw pozostaną niezmienione w stosunku do badanego elementu próbnego;
• jeśli w złączach pomiędzy płytami nie są zastosowane zamocowania, w badanym elemencie próbnym rozpiętość może być zwiększona do 12 m z zamocowaniem w połączeniu pomiędzy płytami co każde 3 m;
• nie jest dopuszczalne zwiększenie rozpiętości powyżej 12 m;
• zwiększenie rozpiętości jest możliwe jedynie dla badanej orientacji płyt;
• wymaganą liczbę łączników należy zawsze obliczyć zgodnie ze wzorami podanymi w Załączniku B do normy PN-EN 15254-5:2010 [4].

Przykładowe badanie elementu próbnego

W Zakładzie Badań Ogniowych ITB opracowano wiele klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej ścian nienośnych z zastosowaniem sposobu rozszerzania wyników podanego w normie PN-EN 15254-5:2010 [4].

Na podstawie wieloletnich obserwacji można stwierdzić, że wyniki badań odporności ogniowej ścian z płyt warstwowych o tym samym rodzaju rdzenia przy tej samej jego grubości potrafią się istotnie różnić – od trzydziestu kilku do ponad 120 min.

Na fot. 1 pokazano element próbny – ścianę nienośną z płyt warstwowych od strony nienagrzewanej w momencie osiągnięcia kryterium szczelności ogniowej E – wystąpienie płomienia w złączu płyt.

Na fot. 2 pokazano widok od strony nagrzewanej bezpośrednio po badaniu i odsunięciu elementu próbnego od pieca. Widoczne jest mocne wygięcie nagrzewanych blach okładzinowych w kierunku do ognia i rozchodzenie się ich w złączach.

Badania odporności ogniowej dachów z płyt warstwowych

Badania odporności ogniowej dachów przeprowadza się według norm PN-EN 1365­‑2:2002 [5] i PN-EN 1363-1:2001 [2]. Nagrzewanie odbywa się zgodnie z krzywą temperatura – czas według wzoru (1) przy działaniu ognia od spodu dachu.

Elementem badanym jest fragment dachu o wymiarach co najmniej 3×4 m (szero­kość×długość); krawędzie wzdłużne powinny być niezamocowane i umożliwiać swobodne ugięcie dachu podczas badania.

Element próbny powinien być poddany obciążeniom wyznaczonym zgodnie z normą PN­‑EN 1363-1:2001 [2]. 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 przyjęto dla obciążenia śniegiem wartość współczynnika Ψ1 = 0,2.

Według mapy obciążenia śniegiem (rys. 3 i tabela zgodnie z normą PN-EN 1991-1­‑3:2005 [6]) obciążenie śniegiem, które należy uwzględnić przy ocenie nośności konstrukcji w warunkach pożaru, wynosi:

• dla strefy 1 Y1×Sk = 0,2×0,7 kN/m² = 0,14 kN/m²,
• dla strefy 2 Y1×Sk = 0,2×0,9 kN/m² = 0,18 kN/m²,
• dla strefy 3 Y1×Sk = 0,2×1,2 kN/m² = 0,24 kN/m²,
• dla strefy 4 Y1×Sk = 0,2×1,6 kN/m² = 0,32 kN/m²,
• dla strefy 5 Y1×Sk = 0,2×2,0 kN/m² = 0,40 kN/m²,

gdzie:

S_k – charakterystyczne obciążenie śniegiem gruntu w Polsce według normy PN-EN 1991­‑1-3:2005 [6] w danej strefie (zgodne z lokalizacją obiektu).

Uwzględnia się także charakterystyczne wartości obciążeń od ciężaru własnego dachu oraz elementów podwieszonych, takich jak sufity, przewody wentylacyjne, instalacje elektryczne, instalacje tryskaczowe itp.

W piecach badawczych montuje się zazwyczaj dachy jednoprzęsłowe lub dwuprzęsłowe. Elementami nośnymi w badaniach odporności ogniowej dachów z płyt warstwowych są zazwyczaj belki stalowe gorącowalcowane zabezpieczone ogniochronnie do klasy odporności ogniowej R odpowiednio do spodziewanej klasy odporności ogniowej dachu RE lub REI.

Podczas badania odporności ogniowej dachów mierzone jest ugięcie w środku rozpiętości poszczególnych przęseł dachu. O osiągnięciu kryterium nośności ogniowej decyduje maksymalne ugięcie elementu próbnego określone wzorem:

D = L2/9000·d (3)

oraz prędkość przyrostu ugięcia w czasie:

dD/dt = L/400·d (4),

gdzie:

D – ugięcie [mm],

L – rozpiętość przęsła dachu [mm],

d – maksymalna odległość włókien ściskanych od rozciąganych [mm],

dD/dt – prędkość przyrostu ugięcia w czasie [mm/min].

Zdarza się, że w badaniach dachów z płyt warstwowych z rdzeniem z materiałów palnych stosunkowo szybko wypala się część rdzenia i w stosunkowo krótkim czasie następuje osiągnięcie kryterium prędkości przyrostu ugięć przy stosunkowo niewielkich ugięciach.

Klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej dachów z płyt warstwowych

W klasyfikacji tej istotne znaczenie ma poziom obciążenia dachu zastosowany podczas badania. Dlatego też zakres zastosowania klasyfikacji jest ograniczony dla:

• określonej maksymalnej wartości momentu przęsłowego od obciążenia równomiernie rozłożonego (w tym obciążenia śniegiem),
• określonej maksymalnej wartości momentu podporowego od obciążenia równomiernie rozłożonego (w tym obciążenia śniegiem).

W obliczeniach przyjmuje się obciążenie śniegiem: 0,2×Sk.

W zakresie zastosowania klasyfikacji określa się także maksymalny kąt nachylenia dachu, maksymalne wartości sił poprzecznych w płytach dachowych warstwowych oraz czy klasyfikacja dotyczy dachów jednoprzęsłowych, czy wieloprzęsłowych.

Podsumowanie

Na uzyskiwane wyniki badań w zakresie odporności ogniowej ścian i dachów z płyt warstwowych mają wpływ:

• kształt złącza płyt,
• rodzaj i jakość materiału rdzenia płyt,
• stosowane uszczelki i masy uszczelniające w złączach,
• ilość i rodzaj kleju łączącego rdzeń z okładzinami,
• jakość i dokładność montażu płyt,
• obróbki blacharskie,
• stosowane łączniki do konstrukcji nośnej,
• jakość i typ blach stalowych okładzin (blachy ze stali nierdzewnej deformują się i odkształcają w ogniu inaczej niż powszechnie stosowane blachy ze stali)

oraz w przypadku dachów dodatkowo:

• wielkość zastosowanego obciążenia,
• rozstaw płatwi lub innych elementów nośnych.

W kwietniu 2012 r. zostało otwarte nowe Laboratorium Badań Ogniowych ITB w Pionkach, które dysponuje kilkoma stanowiskami do badania odporności ogniowej ścian i dachów o wymiarach znacznie większych niż dotychczas.

Można w nim przeprowadzać badania weryfikujące zasady rozszerzonego zastosowania wyników badań odporności ogniowej ścian z płyt warstwowych podane w normie PN­‑EN 15254-5:2010 [4] oraz badania odporności ogniowej dachów z płyt warstwowych o większych rozpiętościach.

Na temat trwałości płyt warstwowych autorzy artykułu wypowiadali się m.in. na Międzynarodowej Konferencji w Rydzynie w 2010 r. zorganizowanej przez Politechnikę Poznańską i Politechnikę Wrocławską oraz na Konferencji Awarie Budowlane w 2011 r. w Międzyzdrojach.

Literatura

1. PN-EN 1364-1:2001, „Badania odporności ogniowej elementów nienośnych. Część 1: Ściany”.
2. PN-EN 1363-1:2001, „Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne”.
3. 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”.
4. PN-EN 15254-5:2010, „Rozszerzone zastosowanie wyników badań odporności ogniowej. Ściany nienośne. Część 5: Konstrukcje z płyt warstwowych w okładzinach metalowych”.
5. PN-EN 1365-2:2002, „Badania odporności ogniowej elementów nośnych. Część 2: Stropy i dachy”.
6. PN-EN 1991-1-3:2005 Eurokod 1, „Oddziaływania na konstrukcje. Część 1–3: Oddziaływania ogólne. Obciążenie śniegiem”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!