Odporność ogniowa pasów międzykondygnacyjnych aluminiowo-szklanych ścian osłonowych

Fasady szklane z uwagi na swoją dużą estetykę oraz łatwość montażu są powszechnie stosowane jako zewnętrzne ściany nowoczesnych budynków. Przegrody tego typu wykonywane są zazwyczaj jako słupowo-ryglowe konstrukcje szkieletowe, w których przestrzenie między metalowymi lub rzadziej drewnianymi profilami wypełnione są przeszkleniami.

Przegrody te, nazywane ścianami osłonowymi, tworzą lekkie, ciągłe pokrycie zewnętrzne budynku, które musi samodzielnie lub w połączeniu z konstrukcją budynku spełnić wszystkie normalne funkcje nienośnej ściany zewnętrznej, w tym również te związane z bezpieczeństwem pożarowym.

Kluczową rolę w spełnieniu tych wymagań odgrywają pasy międzykondygnacyjne, których głównym zadaniem w przypadku wystąpienia pożaru jest powstrzymanie jego rozprzestrzeniania na sąsiednie piętra budynku.

W niniejszym artykule przedstawiono główne aspekty związane z odpornością ogniową elementów tego typu stanowiących fragment aluminiowo-szklanych ścian osłonowych.

Wymagania

Wymagania dotyczące bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych zestawiono w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1] jako drugie po nośności i stateczności wymaganie podstawowe dotyczące obiektów budowlanych.

W dokumencie tym podstawowymi założeniami są:

• zapewnienie w czasie pożaru nośności konstrukcji przez określony czas,
• ograniczenie rozprzestrzeniania się pożaru na budynki sąsiednie,
• ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku,
• możliwość ewakuacji ludzi znajdujących się w danym czasie w budynku
• oraz bezpieczeństwo ekip prowadzących akcję ratowniczą.

Te szczegółowe wymagania zazwyczaj nie występują samodzielnie (np. zapewnienie właściwej ewakuacji związane jest z nośnością konstrukcji, rozprzestrzenianiem się ognia i dymu wewnątrz obiektu, a także z bezpieczeństwem ekip ratowniczych) i dlatego poszczególne elementy budynków mogą spełniać podczas pożarów jedną lub kilka funkcji.

W Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1] ustanowiono pięć klas odporności pożarowej budynków lub ich części, podanych w kolejności od najwyższej do najniższej i oznaczonych literami: A, B, C, D i E, które uzależnione są od przeznaczenia i sposobu użytkowania budynku (ZL I–V - kategorie zagrożenia ludzi), wysokości budynku lub liczby kondygnacji oraz obciążenia ogniowego. W zależności do klasy odporności pożarowej elementom budynku stawiane są określone wymagania związane z bezpieczeństwem pożarowym.

Głównym zadaniem pasów międzykondygnacyjnych w przypadku wystąpienia pożaru jest powstrzymanie jego rozprzestrzeniania na sąsiednie piętra budynku, dlatego też powinny one spełniać określone wymagania dotyczące odporności ogniowej oraz stopnia rozprzestrzeniania ognia.

Ponadto w celu powstrzymania pożaru na danej kondygnacji powinny posiadać również odpowiednie wymiary.

Wymagania w zakresie odporności ogniowej stawiane pasom międzykondygnacyjnym, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, określane są przez wyznaczenie minimalnych klas odporności ogniowej EI (TABELA 1).

Z klasą odporności ogniowej związane jest również wymaganie dotyczące sposobu zamocowania okładzin elewacyjnych, które w przypadku wystąpienia pożaru nie mogą odpadać w czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej, ponieważ stanowiłoby to zagrożenie dla ewakuujących się osób oraz służb prowadzących akcję ratowniczą.

Wymaga się również, aby pasy międzykondygnacyjne, jako element ściany zewnętrznej budynku, były nierozprzestrzeniające ognia (w niektórych przypadkach dopuszcza się zastosowanie słabo rozprzestrzeniających ogień).  

Dodatkowo, w odniesieniu do budynków o wysokości przekraczającej 25 m, wymaga się również, aby okładzina elewacyjna i jej zamocowania mechaniczne, a także izolacja cieplna ściany zewnętrznej znajdujące się na wysokości powyżej 25 m nad poziomem terenu, wykonane były z materiałów niepalnych.

Pasy międzykondygnacyjne w budynkach ZL powinny posiadać wysokość co najmniej 0,8 m, przy czym za równorzędne rozwiązania uznaje się oddzielenia poziome w formie daszków, gzymsów i balkonów o wysięgu co najmniej 0,5 m lub też inne oddzielenia poziome i pionowe o sumie wysięgu i wymiaru pionowego co najmniej 0,8 m.

W przypadku gdy pasy międzykondygnacyjne występują nad strefą pożarową PM o gęstości obciążenia ogniowego powyżej 1000 MJ/m2 ich wysokość powinna wynosić min. 1,2 m, a za równorzędne rozwiązanie uznaje się oddzielenia poziome w formie daszków, gzymsów i balkonów o wysięgu co najmniej 0,8 m lub też inne oddzielenia poziome i pionowe o sumie wysięgu i wymiaru pionowego co najmniej 1,2 m.

Rozwiązania techniczne

Pasy międzykondygnacyjne aluminiowo-szklanych ścian osłonowych wykonywane są jako konstrukcje słupowo-ryglowe. Stanowią element ściany osłonowej znajdujący się w obszarze stropu. Z uwagi na opisane wcześniej wymagania obszar ten musi być w odpowiedni sposób zabezpieczony w celu zapewnienia odpowiedniej izolacyjności i szczelności ogniowej oraz trwałości zamocowania całej ściany osłonowej w przypadku wystąpienia pożaru.

W obszarze pasa międzykondygnacyjnego przestrzenie między aluminiowymi słupami oraz ryglami najczęściej wypełniane są szczelnie wełną mineralną mocowaną do czoła stropu oraz zamykane od wewnątrz budynku stalową blachą, a od zewnątrz hartowaną szybą mocowaną do profili przez listwę dociskową.

Gęstość oraz grubość warstwy wełny mineralnej, podobnie jak rodzaj zastosowanych profili aluminiowych oraz sposób ich wypełnienia, zależą od oczekiwanej klasy odporności ogniowej.

Dosyć często w celu podniesienia właściwości ogniowych blacha stalowa zamykająca wełnę od wewnątrz budynku obudowywana jest dodatkowo płytami gipsowo-kartonowymi, silikatowo-cementowymi lub krzemianowo-wapniowymi.

Na RYS. 1 przedstawiono przykładowy przekrój przez pas międzykondygnacyjny aluminiowo-szklanej ściany osłonowej.

Badania i klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej

Istnieją dwie metody badawcze pozwalające na ocenę odporności ogniowej pasów międzykondygnacyjnych, a wybór odpowiedniej uzależniony jest od oczekiwanego zakresu zastosowania.

• W przypadku gdy klasa odporności ogniowej wymagana jest dla całej ściany osłonowej, a pas międzykondygnacyjny stanowi tylko jej fragment, badanie należy przeprowadzić zgodnie z normą PN-EN 1364­‑3:2014 [2].
• Natomiast w sytuacji, gdy klasa odporności ogniowej wymagana jest tylko w obszarze pasa międzykondygnacyjnego, badanie należy wykonać zgodnie z normą PN-EN 1364-4:2014 [3].

W pierwszym przypadku badany element próbny stanowi fragment ściany osłonowej rozciągający się między dwoma stropami. Istotne jest tutaj zastosowanie odpowiedniej rozpiętości między stropami oraz odpowiednich wymiarów tafli szklanych, ponieważ nie będzie możliwe stosowanie w praktyce wymiarów większych niż te, które zostały przebadane.

Metodykę badania ścian osłonowych w pełnej konfiguracji omówiono dokładniej w artykułach "Badania odporności ogniowej przeszklonych ścian osłonowych" [4, 5],"Badania odporności ogniowej przeszklonych ścian osłonowych wg nowego wydania normy PN-EN 1364-3" [6] oraz "Izolacyjność ogniowa aluminiowo-szklanych ścian osłonowych w zależności od sposobu wypełnienia profili szkieletu konstrukcyjnego" [7].

W niniejszym artykule przedstawiono tylko procedurę badania dotyczącą drugiego przypadku, czyli badanie samego pasa międzykondygnacyjnego.

W celu pełnej oceny odporności ogniowej danego pasa międzykondygnacyjnego należy sprawdzić jego właściwości - zarówno w przypadku oddziaływania ognia od wewnątrz, jak i od zewnątrz, ponieważ może on być w warunkach rzeczywistych narażony zarówno na pożar powstały wewnątrz budynku, jak i pożar zewnętrzny, np. budynku sąsiedniego.

W przypadku nagrzewania od wewnątrz temperatura w danym czasie badania powinna być zgodna z krzywą standardową, przyjmowaną jako właściwa dla odzwierciedlenia pożaru wewnątrz budynku i określoną w normie PN-EN 1363-1:2012 [8] wzorem:

T = 345 log₁₀ (8t + 1) + 20

gdzie:

T - temperatura [°C],

t - czas od początku badania [min].

Temperatura w danym czasie badania w przypadku nagrzewania od zewnątrz, odzwierciedlającego pożar na zewnątrz budynku, powinna być zgodna z krzywą zewnętrzną, określoną w normie PN-EN 1363-2:2001 [9] wzorem:

T = 660 (1 – 0,687e^–0,32t – 0,313e^–3,8t) + 20

Najkorzystniejszym z ekonomicznego punktu widzenia rozwiązaniem, na które pozwala norma badawcza, jest przeprowadzenie badania przy nagrzewaniu jednocześnie od wewnątrz i od zewnątrz. Jest to możliwe do osiągnięcia przez odpowiednią konfigurację elementu próbnego oraz sposobu nagrzewania komory pieca badawczego.

Badanie należy przeprowadzić na elementach próbnych pasów międzykondygnacyjnych, które powinny być w pełni reprezentatywne dla tych zastosowanych w praktyce lub wykonane w sposób pozwalający na osiągnięcie jak najszerszego zakresu zastosowania.

W pierwszym przypadku zasada jest bardzo prosta - na stanowisku badawczym montowany jest element identyczny pod względem konstrukcyjnym z tym, który jest lub ma być zamontowany w danym obiekcie. W tym wypadku istotne jest także odwzorowanie właściwego sposobu zamocowania elementu próbnego oraz dobranie konstrukcji mocującej odpowiadającej tej, w której element zamontowany jest w praktyce.

W drugim przypadku element próbny do badania powinien być wykonany zgodnie z określoną w normie konfiguracją standardową.

Podobnie jak w przypadku badania ścian osłonowych w pełnej konfiguracji [6, 10], w normie badawczej PN-EN 1364-4:2014 [3] wprowadzono dodatkową konfigurację elementu próbnego z załamaniami pod kątem w płaszczyźnie poziomej (gdzie sąsiadujące, rozdzielone słupkami wypełnienia znajdują się pod kątem), której przebadanie jest niezbędne do sklasyfikowania elementów narożnych.

Element próbny od strony wewnętrznej mocowany jest do żelbetowego stropu, natomiast od strony przeciwnej wykonywana jest specjalna wymurówka, umożliwiająca nagrzewanie całej zewnętrznej powierzchni pasa.

Na RYS. 2 przedstawiono schemat zamocowania elementu próbnego na stanowisku badawczym.

W trakcie badania w zakresie odporności ogniowej pasów międzykondygnacyjnych sprawdzane są kryteria skuteczności działania, takie jak szczelność ogniowa (E) oraz izolacyjność ogniowa (I).

Szczelnością ogniową nazywa się zdolność elementu konstrukcji pełniącego funkcję oddzielającą do wytrzymania oddziaływania ognia tylko z jednej strony bez przeniesienia ognia na stronę nienagrzewaną w wyniku przeniknięcia płomieni lub gorących gazów.

Podczas badania szczelność ogniowa weryfikowana jest za pomocą szczelinomierzy, tamponu bawełnianego lub wizualnie. Uznaje się, że szczelność została utracona wówczas, gdy:

• na nienagrzewanej powierzchni elementu próbnego pojawi się ogień ciągły trwający dłużej niż 10 s;
• tampon bawełniany zapali się w czasie 30 s od momentu przyłożenia go do elementu próbnego (przez zapalenie rozumiemy pojawienie się na nim płomieni lub żarzenie), w przypadku gdy element klasyfikowany jest tylko w zakresie szczelności ogniowej (bez uwzględnienia klasyfikacji izolacyjności ogniowej) kryterium to nie jest brane pod uwagę;
• w wyniku działania ognia powstanie na tyle duża szczelina, że możliwa będzie jej penetracja szczelinomierzem gr. 25 mm lub 6 mm na dł. 150 mm.

Izolacyjnością ogniową nazywana jest zdolność danego elementu próbnego, pełniącego funkcję oddzielającą, poddanego działaniu ognia z jednej strony, do ograniczenia przyrostu temperatury na powierzchni nienagrzewanej powyżej ustalonego poziomu.

Weryfikacja przyrostu temperatury średniej i maksymalnej na nienagrzewanej powierzchni przeprowadzana jest za pomocą termoelementów powierzchniowych, które mocowane są do badanego elementu za pomocą kleju odpornego na temperaturę.

Na RYS. 3-4 przedstawiono przykładowy rozkład termoelementów.

Na FOT. 1 (zdjęcie główne), FOT. 2, FOT. 3, FOT. 4 i FOT. 5 przedstawiono elementy próbne pasów międzykondygnacyjnych przed badaniem, w trakcie badania oraz po jego zakończeniu.

Osiągnięte podczas badań parametry skuteczności działania danego elementu próbnego pasa międzykondygnacyjnego dają podstawy do sklasyfikowania danego rozwiązania, czyli do określenia konkretnej klasy odporności ogniowej.

Zgodnie z normą klasyfikacyjną normy PN-EN 13501­‑2+A1:2010 [11], dotyczącą wyrobów i elementów budowlanych, pasom międzykondygnacyjnym można nadać klasę odporności ogniowej zgodnie z TABELĄ 2. Przy czym w klasyfikacji wprowadzono dodatkowo rozdział klas w odniesieniu do rodzaju badania, w którym uzyskano określone parametry skuteczności działania.

I tak zdefiniowano następujące oznaczenia podawane jako uzupełnienie opisanych w TABELI 2 klas odporności ogniowej:

• "i→o" dla pasów międzykondygnacyjnych badanych tylko od wewnątrz,
• "o→i" dla pasów międzykondygnacyjnych badanych tylko od zewnątrz,
• "o→i" dla pasów międzykondygnacyjnych badanych zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz.

Porównanie wyników badań

W Laboratorium Badań Ogniowych w Pionkach przeprowadzono dwa badania w zakresie odporności ogniowej elementów próbnych pasów międzykondygnacyjnych.

Badania przeprowadzono w warunkach odzwierciedlających jednocześnie pożar wewnątrz, jak i na zewnątrz budynku.

Zastosowane elementy próbne miały ten sam schemat konstrukcyjny.

Pierwszy z elementów próbnych wykonany był z profili aluminiowych o głębokości konstrukcyjnej 13 cm (słupy) oraz 7 cm (rygle), a jako wypełnienie pasa zastosowano warstwy wełny mineralnej o łącznej gr. 14 cm, zamknięte od wewnątrz w obudowie z blachy stalowej, a od zewnątrz szybą hartowaną gr. 6 mm.

Drugi element próbny wykonany był z profili aluminiowych o głębokości konstrukcyjnej 15 cm (słupy) oraz 7 cm (rygle), a jako wypełnienie pasa zastosowano warstwy wełny mineralnej o łącznej gr. 17 cm, zamkniętej od wewnątrz w obudowie z blachy stalowej, dodatkowo obłożonej warstwą płyt gipsowo-kartonowych typu F gr. 12,5 mm, a od zewnątrz szybą hartowaną gr. 6 mm.

Porównano wartości średnich przyrostów temperatury na powierzchni pasów międzykondygnacyjnych (średnia z punktów pomiarowych 1-7, 14 i 15, zgodnie z RYS. 3-4), średnich przyrostów temperatury w obszarze słupów pasa (średnia z punktów pomiarowych 8, 9, 12, 13, zgodnie z RYS. 3-4), średnich przyrostów temperatury w obszarze stropu (średnia z punktów pomiarowych 16-22, zgodnie z RYS. 3-4) oraz deformacje elementów próbnych (punkty pomiarowe A–C, zgodnie z RYS. 3-4).

Na RYS. 5, RYS. 6, RYS. 7 i RYS. 8 przedstawiono porównania średnich przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni elementów próbnych, a na RYS. 9, RYS. 10 i RYS. 11 - deformacje w charakterystycznych miejscach elementów próbnych.

Podsumowanie

Na podstawie analizy przedstawionych w artykule wykresów można zauważyć, jak wielkie znaczenie dla izolacyjności ogniowej ma odpowiednie dobranie warstw izolacyjnych w obszarze pasa międzykondygnacyjnego aluminiowo-szklanych ścian osłonowych.

Zwiększenie izolacji z wełny mineralnej oraz zastosowanie dodatkowo warstwy płyt gipsowo-kartonowych zdecydowanie obniża średnią temperaturę na nienagrzewanej powierzchni pasa. Szczególnie widoczne jest to w obszarze słupów pasa międzykondygnacyjnego, gdzie zastosowanie dodatkowej izolacji z płyt gipsowo-kartonowych spowodowało obniżenie temperatury na nienagrzewanej powierzchni o ponad 70°C, w 30 min badania.

Ciekawie prezentują się również wykresy deformacji, szczególnie w przypadku środka rozpiętości elementu próbnego, gdzie zastosowanie płyt gipsowo-kartonowych spowodowało zmianę kierunku deformacji.

Literatura

1. 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).
2. PN-EN 1364-3:2014, "Badanie odporności ogniowej elementów nienośnych. Część 3: Ściany osłonowe pełna konfiguracja (kompletny zestaw)".
3. PN-EN 1364-4:2014, "Badanie odporności ogniowej elementów nienośnych. Część 4: Ściany osłonowe częściowa konfiguracja".
4. B. Sędłak, "Badania odporności ogniowej przeszklonych ścian osłonowych. Cz. 1", "Świat Szkła", nr 9/2012, s. 52–54.
5. B. Sędłak, "Badania odporności ogniowej przeszklonych ścian osłonowych. Cz. 2", "Świat Szkła", nr 10/2012, s. 53–58,60.
6. B. Sędłak, "Badania odporności ogniowej przeszklonych ścian osłonowych wg nowego wydania normy PN-EN 1364-3", "Świat Szkła", nr 7-8/2014, 49-53.
7. J. Kinowski, B. Sędłak, P. Sulik, "Izolacyjność ogniowa aluminiowo-szklanych ścian osłonowych w zależności od sposobu wypełnienia profili szkieletu konstrukcyjnego", "IZOLACJE", nr 2/2015, s. 48-53.
8. PN-EN 1363-1:2012, "Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne".
9. PN-EN 1363-2:2001, "Badania odporności ogniowej. Cześć 2: Procedury alternatywne i dodatkowe".
10. P. Sulik, B. Sędłak, J. Kinowski, "Bezpieczeństwo pożarowe ścian zewnętrznych. Cz. 2. Mocowanie okładzin elewacyjnych”, „Ochrona Przeciwpożarowa", nr 1/2015, s. 9-12.
11. 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".
12. B. Sędłak, J. Kinowski, "Badania odporności ogniowej ścian osłonowych - przyrosty temperatury na szybach", "Świat Szkła", nr 11/2013, s. 20-25.
13. B. Sędłak, J. Kinowski, A. Borowy, "Fire resistance tests of large glazed aluminium curtain wall test specimens–results comparison”, „MATEC Web of Conferences”, Vol. 9, p. 02009, EDP Sciences, DOI: 10.1051/matecconf/20130902009.
14. B. Sędłak, "Odporność ogniowa ścian osłonowych z dużymi przeszkleniami. Cz. 1", "Świat Szkła", nr 3/2014, s. 16-19, 25.
15. B. Sędłak, "Odporność ogniowa ścian osłonowych z dużymi przeszkleniami. Cz. 2", "Świat Szkła", nr 5/2014, s. 28-31.
16. B. Sędłak, "Systemy przegród aluminiowo-szklanych o określonej klasie odporności ogniowej. "Świat Szkła", nr 10/2013, s. 30-33, 41.
17. P. Sulik, B. Sędłak, J. Kinowski, "Bezpieczeństwo pożarowe ścian zewnętrznych (Cz. 1). Elewacje szklane: wymagania, badania, przykłady", "Ochrona przeciwpożarowa", nr 4/2014, s. 10-16.
18. P. Sulik, B. Sędłak, P. Turkowski, W. Węgrzyński, "Bezpieczeństwo pożarowe budynków wysokich i wysokościowych” [w:] A. Halicka, „Budownictwo na obszarach zurbanizowanych. Nauka, praktyka, perspektywy", Politechnika Lubelska 2014, s. 105-120.
19. J. Kinowski, P. Sulik, "Bezpieczeństwo użytkowania elewacji", "Materiały Budowlane", nr 9/2014, s. 38-39.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!