Użytkowanie obiektów budowlanych a zachowanie odporności ogniowej elementów budynku

Wśród wymagań podstawowych stawianych obiektom budowlanym na drugim miejscu wymieniane jest bezpieczeństwo pożarowe (wcześniej w Dyrektywie Rady (UE) nr 89/106/EWG [1], a obecnie w Rozporządzeniu nr 305/2011 [2]).

Tam, gdzie wymagają tego przepisy techniczno-budowlane, wyroby budowlane i elementy budynku muszą spełniać określone wymagania w zakresie reakcji na ogień (zgodnie z normą klasyfikacyjną PN-EN 13501-1+A1:2010 [3]) oraz w zakresie odporności ogniowej (zgodnie z normą klasyfikacyjną PN-EN 13501-2+A1:2010 [4]).

Badania odporności ogniowej ścian i dachów

W polskich przepisach techniczno-budowlanych wymaga się, aby w sytuacji pożaru ściany nienośne spełniały funkcję oddzielającą, a dach – funkcję nośną oraz przez określony czas funkcję oddzielającą.

W związku z tym ściany klasyfikowane są z uwzględnieniem kryterium szczelności ogniowej i izolacyjności ogniowej (EI), dachy natomiast ze względu na kryteria nośności ogniowej i szczelności ogniowej (RE) lub nośności ogniowej, szczelności ogniowej i izolacyjności ogniowej (REI).

Odporność ogniowa to zdolność elementu budynku do spełniania określonych wymagań w znormalizowanych warunkach fizycznych, odwzorowujących porównawczy przebieg pożaru. Miarą odporności ogniowej jest czas [min] od początku badania do chwili osiągnięcia przez element próbny jednego z trzech stanów granicznych:

• nośności ogniowej (element próbny przestaje spełniać swoją funkcję nośną) – R;
• izolacyjności ogniowej (element próbny przestaje spełniać funkcję oddzielającą na skutek przekroczenia granicznej wartości temperatury powierzchni nienagrzewanej w pojedynczym punkcie i/lub średniej z wartości zarejestrowanych w określonych punktach) – I;
• szczelności ogniowej (element próbny przestaje spełniać funkcję oddzielającą na skutek pojawienia się na powierzchni nienagrzewanej płomieni lub wystąpienia w elemencie próbnym szczelin o rozwartości lub długości przekraczającej wielkości graniczne lub zapalenia się normowego próbnika z waty bawełnianej przyłożonego do powierzchni nienagrzewanej) – E.

Znormalizowane warunki badań odporności ogniowej elementów budowlanych, dotyczące temperatury w piecu, warunków ciśnienia, obciążenia elementów, warunków zamocowania oraz sposobu wykonywania wymaganych pomiarów zdefiniowano w normie podającej ogólne wymagania dotyczące badań odporności ogniowej (PN-EN 1363-1:2012 [5]), w normie określającej procedury alternatywne i dodatkowe (PN-EN 1363-2:2001 [6]) oraz w normach szczegółowych określających warunki badań odporności ogniowej poszczególnych rodzajów elementów budynku.

Badania odporności ogniowej elementów budynku przeprowadza się przez nagrzewanie zgodnie z krzywą standardową temperatura – czas przy działaniu ognia od strony pomieszczenia, według wzoru:

T = 345 · log10 (8 · t + 1) + 20

gdzie:

T – temperatura [°C],

t – czas [min].

Badania odporności ogniowej ścian nienośnych przeprowadzane są według norm PN-EN 1364-1:2001 [7] i PN-EN 1363-1:2012 [5]. Nagrzewanie odbywa się zgodnie z krzywą temperatura – czas przy działaniu ognia od strony pomieszczenia. Przy działaniu ognia od strony zewnętrznej budynku nagrzewanie odbywa się według tzw. krzywej zewnętrznej zgodnie z wzorem:

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

Kryterium skuteczności działania określającym izolacyjność ogniową jest przyrost średniej temperatury na powierzchni nienagrzewanej o 140°C powyżej początkowej średniej temperatury lub przyrost temperatury maksymalnej w dowolnym punkcie o 180°.

W przypadku dachów z płyt warstwowych w celu określenia ich odporności ogniowej stosuje się nagrzewanie od spodu dachu zgodnie z krzywą standardową. Badania odporności ogniowej dachów przeprowadzane są zgodnie z normą PN-EN 1365-2:2002 [8].

Element próbny poddawany jest obciążeniom wyznaczonym zgodnie z normą PN-EN 1363-1:2012 [5]. Wartości i rozkład obciążenia powinny być takie, aby siły wewnętrzne powstające w elemencie próbnym były reprezentatywne dla sytuacji rzeczywistej.

W Polsce badania odporności ogniowej dachów z płyt warstwowych wykonuje się z uwzględnieniem co najmniej obciążenia śniegiem wyznaczonego zgodnie z normą PN-EN 1991-1-3:2005 [9]. Poza tym uwzględnia się charakterystyczne wartości obciążeń od ciężaru własnego dachu oraz elementów podwieszonych, takich jak sufity, przewody wentylacyjne, instalacje elektryczne, tryskacze itp.

Kryteriami oceny nośności ogniowej dachów jest prędkość deformacji (prędkość ugięcia) oraz stan graniczny rzeczywistej deformacji (ugięcia). Uznaje się, że nastąpiła utrata nośności ogniowej, gdy jedno z tych kryteriów zostało przekroczone (do 2012 r. według starej normy z 2001 r. uznawano, że oba następujące kryteria zostały przekroczone):

• ugięcie: D = L2/400 · d
• szybkość narastania ugięcia: dD/dt = L2/9000 · d

gdzie:

L – rozpiętość w osiach podpór [mm],

d – odległość od skrajnego włókna zimnej projektowej strefy ściskanej do skrajnego włókna zimnej projektowej strefy rozciąganej przekroju konstrukcyjnego [mm].

Na podstawie wyników przeprowadzonych badań odporności ogniowej opracowywana jest klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej elementu w odniesieniu do kryteriów normy klasyfikacyjnej PN-EN 13501-2+A1:2010 [4].

Budynki z płyt warstwowych

Z płyt warstwowych w okładzinach metalowych zgodnie z PN-EN 14509:2013 [10] można projektować i wykonywać ściany, dachy i sufity podwieszone. Jakość stosowanych płyt ma istotne znaczenie w spełnieniu wymagań w zakresie reakcji na ogień i odporności ogniowej poszczególnych elementów budowlanych.

Na FOT. 1–2 pokazano przekroje płyt warstwowych z rdzeniem z wełny mineralnej z błędnie ułożonymi lamelami w rdzeniu płyt. Na FOT. 3 pokazano okładzinę z blachy stalowej oderwaną od płyty warstwowej, z widocznym, nierównomiernie rozprowadzonym, klejem na powierzchni blachy [11].

Obniżenie parametrów mechanicznych i izolacyjnych płyt warstwowych może bardzo istotnie wpływać na odporność ogniową elementów budynku. Szczególnie istotny wpływ mogą mieć uszkodzenia w warstwie klejowej oraz możliwe obniżenie właściwości izolacyjnych rdzenia.

Uszkodzenia warstwy klejowej mogą prowadzić do szybszej utraty przyczepności okładzin płyty warstwowej i rdzenia płyty warstwowej. W konsekwencji znacznie szybciej może wystąpić delaminacja okładziny od rdzenia.

Z punktu widzenia odporności ogniowej ściany lub dachu z płyt warstwowych ma to bardzo istotne znaczenie, szczególnie po stronie nienagrzewanej. W przypadku elementów nienośnych może prowadzić do szybszej utraty szczelności ogniowej ze względu na możliwe większe odkształcenia nienagrzewanej blachy okładzinowej.

W przypadku elementów nośnych efekt może być jeszcze bardziej znaczący, ponieważ szybsza delaminacja zewnętrznej blachy okładzinowej może skutkować zupełnie innym zachowaniem elementu, gdy okładziny i rdzeń będą pracowały niezależnie. W efekcie możne wystąpić zupełnie inny mechanizm prowadzący do zniszczenia elementu, ponieważ obciążenie elementu będzie przenoszone przez trzy niezależne warstwy niewspółpracujące ze sobą.

W latach 90. w Zakładzie Lekkich Przegród ITB przeprowadzono badania wytrzymałościowe i mechaniczne płyt warstwowych dachowych typu PW-8. Pobierano próbki z dachu budynku znajdującego się na terenie ITB w Warszawie [12], użytkowanego jako budynek magazynowy. Badania wykazały, że płyty warstwowe eksploatowane ok. 20 lat utraciły ok. 20% swojej pierwotnej wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie.

Oczywiście nie można uogólniać tego przykładu na płyty tego typu zastosowane w innych obiektach. Jest to jednak pewien sygnał, że w rzeczywistym zastosowaniu po pewnym czasie eksploatacji budynku należy liczyć się ze zmianami we właściwościach zastosowanych materiałów. Pytanie o rzeczywistą odporność ogniową eksploatowanego rozwiązania staje się jak najbardziej zasadne.

Zachowanie parametrów wytrzymałościowych w długim okresie eksploatacji może być jeszcze trudniejsze w przypadku płyt warstwowych stosowanych w chłodnictwie. Ściana z płyt warstwowych oddzielająca pomieszczenie mroźni na artykuły spożywcze, gdzie temperatura stała wynosi –25°C, od hali produkcyjnej, gdzie temperatura stała wynosi ok. +20°C, poddana jest oddziaływaniu amplitudy ok. 45°C.

Po kilku lub kilkunastu latach eksploatacja w takich warunkach może wpłynąć destrukcyjnie na rdzeń płyty oraz klej łączący rdzeń z okładzinami z blachy stalowej, co może spowodować obniżenie parametrów mechanicznych. Długotrwałe oddziaływanie może mieć również znaczenie dla zachowania właściwości izolacyjnych, szczególnie jeśli dodamy do tego możliwe (w niektórych rozwiązaniach) osiadanie materiału rdzenia płyty.

Innym problemem, który pojawił się podczas eksploatacji dachów z płyt warstwowych, są pofalowania powierzchni. Na skutek wysokiej temperatury na powierzchni dachu, mogą powstać pofalowania, a także czarne plamy spowodowane przenikaniem grafitu stosowanego np. w przemyśle oponiarskim (FOT. 4).

Podczas projektowania dachów budynków z płyt warstwowych przyjmuje się do obliczeń temperaturę powietrza w lecie +25°C, podczas gdy rzeczywista temperatura powierzchni dachu nagrzanego od słońca może sięgać ok. +50°C w odniesieniu do jasnych kolorów płyt i ok. +80°C w doniesieniu do ciemnych.

Na skutek nagrzania od słońca występowały też przypadki odspojenia blach górnych od rdzenia z wełny mineralnej. Rozgrzanie okładziny górnej z blachy stalowej gr. 0,50 mm powodowało nagrzanie i rozpuszczenie się kleju poliuretanowego łączącego tę okładzinę z rdzeniem z wełny mineralnej. Niezależnie od codziennych problemów eksploatacyjnych, tego typu zjawiska mogą również wpływać niekorzystnie na rzeczywistą odporność ogniową dachu.

W budynkach w obudowie z płyt warstwowych drgania konstrukcji spowodowane np. bliskością dróg szybkiego ruchu czy obecnością wewnątrz budynku urządzeń wywołujących drgania (np. suwnic, różnego rodzaju tłoczni czy pras) może spowodować po dłuższym czasie mniejsze przyleganie płyt ściennych np. o złączach na wpust i pióro, co może obniżyć szczelność ogniową E ściany w razie pożaru.

Oddziaływanie czynników atmosferycznych, szczególnie nagrzewanie i oziębianie powierzchni okładzin zewnętrznych płyt warstwowych ściennych czy dachowych, powoduje ich wydłużanie lub kurczenie się. Ruchy blachy okładziny od czynników termicznych często powodują ruchy główek łączników w płytach i wpływają na opalizację (wyrabianie się) otworów przy łącznikach.

Może to wpłynąć na obniżenie szczelności ogniowej E dachu czy ściany w sytuacji pożaru, a także doprowadzić do zacieków podczas deszczu. W Niemczech np. obliczeniowo sprawdza się przemieszczenia łączników od wpływów termicznych.

Elementy przeszklone

Coraz częściej projektuje się i wykonuje stropy, dachy, świetliki, ściany przeszklone o określonej odporności ogniowej. Są to technologie i systemy o dużym reżimie projektowym, wykonawczym i montażowym. Wymagają również odpowiedniej dbałości i kontroli technicznych podczas eksploatacji.

Znane są przypadki, że świetliki dachowe z metalowymi profilami zamkniętymi z wypełnieniem gipsem lub płytami gipsowo-kartonowymi po kilku latach eksploatacji i wskutek działania czynników atmosferycznych są w środku profili wypełnione mieszaniną wody i gipsu. Znane są też przypadki wycieku żelu z szyb ogniochronnych elementów przeszklonych ścian – FOT. 5.

Ponadto czasami elementy przeszklone są nieprawidłowo osadzone lub mają niesystemowe uszczelki. Z tego powodu elementy przeszklone spełniające funkcje oddzieleń przeciwpożarowych wymagają systematycznego monitoringu i kontroli technicznych.

Sucha zabudowa

Zalecenia dotyczące poprawnego projektowania i wykonywania pod względem odporności ogniowej ścian nienośnych oraz sufitów podniesionych z okładzinami z płyt gipsowo-kartonowych i gipsowo­‑włóknowych podano w 2006 r. na Warsztatach Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego w Cedzynie [13].

Mimo upływu 8 lat zalecenia te są nadal aktualne, a jedynie klasyfikacje w zakresie odporności ogniowej różnią się z powodu obecności płyt nowych rodzajów, nowych szpachli i różnych materiałów izolacyjnych. Na FOT. 6 pokazano zawalenie się sufitu podwieszonego w szkole. Przyczyną było złe wykonanie rusztu z profili stalowych sufitu (zbyt odległe profile, główne przyścienne od ściany).

Dachy ze świetlikami

Świetliki dachowe powinny być odporne na działanie ognia zewnętrznego (klasa Broof(t1)), czyli nie rozprzestrzeniać ognia według Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie §216.2 [14].

W przypadku gdy gęstość obciążenia ogniowego jest poniżej 500 MJ/m², dopuszcza się świetliki słabo rozprzestrzeniające ogień. Na FOT. 7 przedstawiono widok hali z dachem i świetlikami z tworzywa sztucznego, gdzie zmiana użytkowania spowodowała kontrolę właściwości ogniowych świetlików.

Podsumowanie

W trakcie eksploatacji i użytkowania budynków pojawiają się sytuacje mogące zmieniać odporność ogniową elementów budowlanych, a w efekcie także rzeczywistą odporność ogniową przegród. Warto pamiętać, że badania dotyczące tej właściwości prowadzone są na elementach wykonanych na potrzeby tych badań, niepoddanych żadnym szczególnym oddziaływaniom wynikającym z warunków rzeczywistego użytkowania.

Elementy budowlane z płyt warstwowych, przeszklone czy suchej zabudowy o określonej odporności ogniowej powinny być zatem poprawnie poddawane przeglądom technicznym podczas eksploatacji. Należy mieć na uwadze, że zarówno czynniki zewnętrzne, jak i wiek materiałów wpływają na pogorszenie parametrów technicznych, a co za tym idzie na pogorszenie właściwości w zakresie reakcji na ogień i odporności ogniowej.

Rzeczoznawcy budowlani i jednostki badawcze powinny więc określać degradację tych elementów (jeśli taka nastąpiła) oraz poddawać ocenie dalszą przydatność lub sygnalizować ewentualnie potrzebę wzmocnienia lub wymiany części wadliwych danego systemu budowlanego.

Literatura

1. Dyrektywa Rady (UE) nr 89/106/EWG z dnia 21 grudnia 1988 r. w sprawie zbliżenia przepisów ustawowych, wykonawczych i administracyjnych Państw Członkowskich odnoszących się do wyrobów budowlanych (DzUrz L 40, 11.02.1989).
2. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady nr 89/106/EWG (DzUrz L 88, 4.04.2011).
3. PN-EN 13501-1+A1:2010, „Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień”.
4. PN-EN 13501-2+A1:2010, „Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie wyników badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej”.
5. PN-EN 1363-1:2012, „Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne”.
6. PN-EN 1363-2:2001, „Badania odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe”.
7. PN-EN 1364-1:2001, „Badania odporności ogniowej elementów nienośnych. Część 1: Ściany”.
8. PN-EN 1365-2:2002, „Badania odporności ogniowej elementów nośnych. Część 2: Stropy i dachy”.
9. PN-EN 1991-1-3:2005, „Podstawy projektowania konstrukcji. Oddziaływania na konstrukcje. Obciążenie śniegiem”.
10. PN-EN 14509:2013, „Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje”.
11. P. Korycki, „Błędy przy stosowaniu lekkiej obudowy wykonywanej z płyt warstwowych”, IV Konferencja Stowarzyszenia DAFA, Targi BUDMA 2014, Poznań.
12. B. Wróblewski, A. Borowy, „Wybrane zagadnienia dotyczące użytkowania, eksploatacji i bezpieczeństwa pożarowego budynków z płyt warstwowych”, XXV Konferencja Naukowo­‑Techniczna „Awarie Budowlane”, Szczecin – Międzyzdroje 2011.
13. B. Wróblewski, „Błędy i zalecenia przy projektowaniu i wykonawstwie ścian i sufitów podwieszonych z okładzinami z płyt gipsowo-kartonowych z uwagi na bezpieczeństwo pożarowe”, Warsztaty Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego, Cedzyna 2006.
14. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75 z 2002 r., poz. 690 z późn. zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!