Elewacja wentylowana podczas oddziaływania pożarem

Elewacja wentylowana (z ang. ventilated façade) jest okładziną zewnetrzną ściany wielowarstwowej, która ma część nośno-konstrukcyjną: zazwyczaj jest to ściana murowana lub betonowa, lecz również może być o konstrukcji drewnianej lub stalowej.

Kolejno w ścianie zewnętrznej umieszczona jest izolacja, konsole utrzymujące elementy podkonstrukcji (nazwane również rusztem) oraz okładzina zewnętrzna elewacyjna (z ang. external cladding). Okładzina ta zabezpiecza wcześniej wymienione warstwy przed oddziaływaniami środowiskowymi oraz nadaje ostateczny kształt i wygląd elewacji.

Pomiędzy okładziną zewnętrzną elewacyjną a izolacją znajduje się pustka powietrzna, nazywana również szczeliną wentylacyjną. Szerokość pustki powietrznej w elewacjach wentylowanych mieści się w przedziale od 20 do 50 mm [1, 2], niektóre źródła podają również większe wartości, np. od 40 do 100 mm [3].

Elementy okładziny zewnętrznej mogą posiadać bardzo duże pojedyncze elementy. Standardowy wymiar dla płyt włóknisto-cementowych to 1250×3100 mm, a dla płyt HPL 1850×4100 mm [1].

Wymogi wynikające z przepisów

Przepisy stawiają ścianom zewnętrznym szereg wymagań, m.in. zapewnienie odpowiedniej izolacyjności cieplnej [4], trwałości i ochrony budynku [5] oraz bezpieczeństwa użytkowania w sytuacjach środowiskowych i wyjątkowych.

Jednym z najważniejszych wymogów, które budynek musi spełnić w warunkach sytuacji wyjątkowej, jaką jest oddziaływanie pożarem, jest zapewnienie możliwości ewakuacji użytkowników i pracy zespołów ratowniczych [4].

Ściany zewnętrzne z zastosowaniem okładzin elewacyjnych muszą zapewnić m.in. wystarczającą trwałość w sytuacjach wyjątkowych, tzn. uniemożliwić odpadanie elementów elewacji podczas oddziaływania pożaru. Mimo tego, że problem ten jest szeroko znany w całej Europie, przepisy w tym względzie nie są precyzyjne.

W przypadku rozporządzenia obowiązującego na terenie Polski [4] ustawodawca nakazuje montaż elementów okładzin elewacyjnych w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany zewnętrznej.

Niestety brak jest precyzyjniejszych informacji lub odniesień do standardów i kształtu badań. Ponadto taka forma zapisu dostarcza dużo problemów dla dostawców wyrobów budowlanych, projektantów oraz wykonawców całych systemów elewacji wentylowanych [6–8].

Autorzy pracy [6] przyjęli graniczną wielkość odpadającego pojedynczego elementu na poziomie 5 kg, dodatkowo uwzględniając tzw. „kryterium energii”, co odpowiada klasie F2 zaproponowanej w dokumencie opracowanym na zlecenie Komisji Europejskiej w 2018 r., przy czym ograniczyli ją do budynków niskich i średniowysokich, co wiązało się zaleceniami KG PSP, która stwierdziła, że „…Przy ocenie spadających fragmentów okładzin elewacyjnych należałoby brać pod uwagę jako kryteria oceny ich energię. Za niebezpieczne dla ewakuujących się ludzi należałoby uznać elementy o wielkości i energii takiej, które powodują obrażenia jako niebezpieczne dla zdrowia…”.

Na świecie jest wiele standardów do badania modeli elewacji w skali naturalnej (z ang. large-scale façade test) [9–12]. Opierają się one o rozprzestrzenianie ognia z wnęki/otworu symulującej otwory okienne pomieszczenia w rzeczywistym budynku. Umiejscowione jest tam palenisko (źródło ognia), zdefiniowane przez krzywą normową oddziaływania temperatury. Płomienie wydostają się z wnęki, oddziałując na okładzinę elewacyjną i inne elementy ściany. Poszczególne standardy różnią się szczegółami, tj. rodzajem paleniska: beleczki drewniane (z ang. wood crib) [9–11] lub gaz propan-butan [12], wymiarami wnęki/otworu, czasem testu, kształtem modelu elewacji w skali naturalnej i jego gabarytami.

Porównanie poszczególnych standardów do badania modeli elewacji w skali naturalnej w zakresie bezpieczeństwa przeciwpożarowego zestawiono w pracy [13]. W związku z rosnącą świadomością zjawiska rozprzestrzeniania się ognia po zewnętrznej części elewacji oraz szeregiem zagrożeń wywołanych tymże zjawiskiem Komisja Europejska rozpoczęła próbę harmonizacji standardów badawczych [11].

W publikacjach [14, 15] autorzy analizują modele elewacji w skali naturalnej przy oddziaływaniu pożarem. Jako warunki wyjściowe przyjęto elewacje wentylowane o różnych okładzinach zewnętrznych, m.in. płytach włóknisto-cementowych i HPL, okładzinach ceramicznych, okładzinach kamiennych naturalnych oraz kamiennych syntetycznych typu marmoglass (konglomerat szklany), a także warstwowych panelach stalowych ACM (z ang. Aluminum Composite Material).

Podczas badań zauważono szereg zależności, np. to, że sposób montażu okładziny zewnętrznej elewacyjnej ma wpływ na jej bezpieczeństwo. I tak bezpieczniejszym sposobem jest montaż mechaniczny niż adhezyjny, na przykład za pomocą kleju.

Wymagania odnośnie czasu trwania badania wynoszą przeważnie 60–120 minut. Po 30 minutach destrukcja okładzin postępuje w sposób minimalny lub w niektórych przypadkach nawet zatrzymuje się.

Okładziny, które uzyskały pozytywne wyniki w tego typu badaniach, to mocowane mechanicznie: płyty włóknisto-cementowe i panele ACM, w których to przypadku odpadające elementy mieściły się w wadze maksymalnie do 2 kg.

W przypadku okładzin również mocowanych mechanicznie odpadające elementy również były o dopuszczalnej wadze, ale były one ostre i stwarzały zagrożenie dla ewakuujących się ludzi.

Z kolei w przypadku okładzin kamiennych oraz marmoglass, które zazwyczaj występują w płytach o grubości 3 lub 4 cm, w przypadku odpadania należy się spodziewać większej wagi spadających elementów. Warto jednak nadmienić, że w przypadku zamocowania mechanicznego kotwami ze stali nierdzewnej w bocznych powierzchniach okładzin kamiennych lub marmoglass, w przypadku pęknięcia płyty wzajemnie się klinują i zazwyczaj nie spadają w dużych kawałkach.

W artykule [6] przedstawiono również weryfikację bezpieczeństwa pożarowego elewacji szklanych, wyniki wskazują na problem z odpadaniem elementów tychże elewacji.

Ze względu na braki w literaturze naukowej dotyczące rozpoznania problematyki zniszczenia płyt włóknisto-cementowych stosowanych jako okładziny zewnętrzne w elewacjach wentylowanych autorzy niniejszej pracy podjęli próbę przeanalizowania tego zagadnienia. Analiza ta była oparta na modelu elewacji w skali naturalnej. Temat ten jest istotny, ponieważ popularność i zapotrzebowanie na elewacje wentylowane zwiększają się, a niestety problemy przytaczane przez autorów dotyczą bezpieczeństwa tychże elewacji w sytuacji wyjątkowej, tzn. w czasie oddziaływania pożaru.

Podsumowując, można wysunąć tezę, że obecnie praktycznie żaden rodzaj materiału stosowany do okładzin zewnętrznych elewacyjnych (wyjątek stanowią jedynie blachy stalowe) nie zapewnia spełnienia warunku wyszczególnionego w rozporządzeniu [4]. Potrzebne jest zatem stosowanie pewnego rodzaju kompromisów, a przede wszystkim ujednolicenie standardów badawczych i analizy tych wyników.

Model odwzorujący elewację budynku

W celu rozwiązania zadania naukowego przygotowano model odwzorowujący elewację budynku, wykonany w tzw. skali naturalnej. Model elewacji został zrealizowany w nawiązaniu do istniejących systemów budownictwa szkieletowego drewnianego.

Analizowana ściana była częścią systemu budownictwa szkieletowego drewnianego panelowego i modułowego. Konstrukcja elementów składała się ze szkieletu drewnianego z wypełnieniem materiałem izolacyjnym w postaci wełny szklanej.

Przedmiotem weryfikacji badawczej był układ elewacji wentylowanej, w skład którego wchodziła okładzina zewnętrzna wykończona w dwóch wariantach: płytami elewacyjnymi włókno-cementowymi i spiekami ceramicznymi.

Okładzina zewnętrzna przymocowana była do stalowych konsol. Konstrukcję nośną stanowił szkielet drewniany wykonany z belek i słupków. Pomiędzy słupkami znajdowała się warstwa izolacji termicznej wykonana z wełny szklanej. Od strony wewnętrznej i zewnętrznej ściany znajdowała się warstwa z płyty gipsowo-kartonowej gr. 12,5 mm.

Podkonstrukcja mocująca okładzinę zewnętrzną wykonana była z aluminiowego rusztu o przekroju L60×40×2 mm, przykręcona wkrętami do stalowych konsol. Konsole mocowane były do systemowej ściany szkieletowej (elementu nośnego modelu) poprzez stalowe wkręty talerzykowe 8×60.

Rozkład podkonstrukcji aluminiowej i konsol przenoszących obciążenia z podkonstrukcji aluminiowej na systemową ścianę szkieletową pokazano na RYS. 1.

Zewnętrzną okładzinę elewacji wentylowanej stanowiły płyty włóknisto-cementowe gr. 8 mm i gęstości 1700 kg/m³ oraz spieki ceramiczne gr. 5,6 mm i gęstości 2855 kg/m³. Mocowane okładziny zewnętrznej do aluminiowego rusztu wykonano w technologii adhezyjnej przy użyciu systemowego kleju oraz dodatkowo za pomocą stalowych łączników mechanicznych, tj. perforowanych taśm stalowych mocowanych do podkonstrukcji. Dylatacja pomiędzy poszczególnymi płytami wynosiła 8 mm.

Na RYS. 1 przedstawiono schemat podziału okładziny zewnętrznej oraz oznaczono materiał, z jakiego są wykonane, a mianowicie w części lewej płyty włóknisto-cementowe, a w części prawej spieki ceramiczne. Wymiary całkowite badanego modelu elewacji wentylowanej to 3950×3950 mm, szerokość pustki powietrznej 38 mm, wymiary otworu – wnęki 2000×1000 mm.

Scenariusz pożaru elewacji wentylowanej zakładał wydobywanie się płomieni przez otwór okienny z pomieszczenia znajdującego się bezpośrednio za elewacją, wewnątrz budynku. W celu odwzorowania pomieszczenia, z którego wydobywał się płomień, wykonano wnękę w modelu elewacji, w której jest umieszczone źródło pożaru. Parametry palnika były tak dobrane tak, aby odwzorowywały pożar standardowy w pomieszczeniu, zdefiniowany w normie badawczej z zakresu odporności ogniowej [16]. Pożar odwzorowany był za pomocą palnika gazowego uwalniającego gaz propan-butan.

W celu weryfikacji i identyfikacji zniszczenia okładziny zewnętrznej zamontowano cztery termopary, umieszczone w szczelinach pomiędzy płytami: dwie w części płyt włóknisto­‑cementowych oraz dwie w części spieków ceramicznych. Elewacja wentylowana była wykonana w technologii otwartych złączy, gdzie dodatkowe szczeliny pomiędzy płytami okładziny zewnętrznej umożliwiają cyrkulację powietrza.

Badanie odporności

Badanie przeprowadzono w zamkniętym pomieszczeniu hali, w temperaturze otoczenia 18,9°C oraz wilgotności względnej 60,7%. Badanie rozpoczęto od ustawienia palnika i odpowiedniego wykalibrowania uwalniania gazu.

• Pierwsze 5 minut pożaru to zadymienie/zwęglanie okładziny zewnętrznej, brak odpadania części elementów okładziny zewnętrznej.
• Pierwsze odpadające elementy zaobserwowano w szóstej minucie badania, gdy zaczęły odpadać elementy wykonane ze spieków ceramicznych.
• Kolejne minuty oddziaływania wysoką temperaturą spowodowały większą destrukcję okładziny elewacyjnej szczególnie widoczne w części, gdzie znajdują się spieki ceramiczne.
• Od jedenastej minuty również znacząco rozpoczęła się degradacja płyt włóknisto-cementowych.
• Około dwudziestej minuty destrukcja spieków ceramicznych spowolniła.

Miejsca, w których oddziaływanie temperaturą były najwyższe, zostały zniszczone, a w pozostałych miejscach spieki ceramiczne dosyć dobrze „tolerowały” wysoką temperaturę. Największą degradację od pożaru spieki ceramiczne miały w pierwszych kilkunastu minutach. Niezauważalna była dalsza degradacja spieków ceramicznych.

Profile aluminiowe w obrębie najwyższych temperatur zostały wypalone, a szklana wełna mineralna wytopiona. Destrukcja płyt włóknisto-cementowych w przeciwieństwie do spieków ceramicznych postępowała coraz bardziej. Pojawiły się pęknięcia.

W pięćdziesiątej szóstej minucie badania można było zobaczyć, że płyty włóknisto-cementowa wyczerpała swoją nośność i utrzymywała się jedynie na perforowanych taśmach stalowych, stosowanych jako dodatkowe mocowanie. Wyczerpanie nośności spowodowane było wysoką temperaturą i dużym gradientem temperatur. Degradacja spieków ceramicznych nie postępowała w późniejszym czasie, pożar po prawej stronie okładziny zewnętrznej był stabilny i nie powodował więcej zniszczeń.

Podczas badania zaobserwowano pękanie i odpadanie fragmentów zarówno okładzin włókno-cementowych, jak i spieków ceramicznych. Dotyczyło to głównie okładzin znajdujących się nad otworem, czyli nad źródłem ognia. Część okładzin odspoiła się od rusztu, lecz nie spadła i zwisała na stalowych taśmach perforowanych przymocowanych mechanicznie do okładziny.

Maksymalna masa pojedynczego elementu, który odpadł podczas badania wyniosła 1,15 kg. Na taki wynik wpłynął system zabezpieczenia wykorzystujący stalową, perforowaną taśmę i łączniki mechaniczne. Degradacja spieków ceramicznych odbywała się przez pierwsze kilkanaście minut, następnie ta część elewacji była stabilna.

Płyty włóknisto-cementowe zachowały się inaczej. Pierwsze minuty wykazywały stabilność płyt. Od jedenastej minuty płyty zaczęły wykazywać znaczącą degradację postępującą praktycznie aż do końca badania. W przypadku braku zastosowania perforowanych taśm stalowych elementy okładzin odpadające z elewacji byłyby zapewne znacznych gabarytów Kluczowe elementy przebiegu badania modelu elewacji wentylowanych przedstawiono na FOT. 1, FOT. 2, FOT. 3 i FOT. 4.

• Poziomy glif górny, wykonany z blachy stalowej gr. 0,5 mm, zdeformował się, ale jego lokalizacja nie uległa zmianie.
• Aluminiowy ruszt bezpośrednio nad wnęką ze źródłem ognia, poza miejscami bezpośrednio osłoniętymi przez stalowy glif górny, zostały wypalony na wysokości do 1660 mm.
• Szklana wełna mineralna została wytopiona bezpośrednio nad wnęką do wysokości 1400 mm.
• Stalowe łączniki do mocowania oraz konsole pozostały w swojej lokalizacji, podobnie jak glif dolny.

Wyniki pomiaru temperatury z termopar zlokalizowanych w części płyt włóknisto-cementowych przedstawiono w funkcji czasu na RYS. 2 dla termopar TE1 i TE2. Natomiast na RYS. 3 przedstawiono wyniki dla termopar TE3 i TE4 umiejscowionych w części okładzin ze spieków ceramicznych.

Lokalizację wszystkich termopar pokazano na RYS. 1.

Wyniki przedstawione dla termopar TE1 i TE2 wskazują na dużą niestabilność i skoki temperatur. Jest to spowodowane dużym rozwojem degradacji w czasie płyt włóknisto-cementowych, szczególnie po osiągnięciu pełnego rozwoju pożaru. Miejsca największych wahań temperatur na RYS. 2 można skojarzyć z pękaniem bądź odspajaniem się elementów okładzin zewnętrznych.

Termopary TE3 i TE4, w przeciwieństwie do termopar umiejscowionych w części płyt włóknisto-cementowych, początkowo wykazywały większy przyrost temperatury. Moc pożaru ma stały przebieg, różnica w temperaturze spowodowana jest nagrzewaniem elementów.

W szóstej–siódmej minucie badania termopara TE3 wykazała dużą stabilność – spieki ceramiczne uległy szybkiemu zniszczeniu w części centralnej nad wnęką z paleniskiem. Termopara TE4 wykazała początkowo dużą niestabilność i wahania temperatury. Spowodowane było to oddziaływaniem niższej temperatury na spieki ceramiczne w tej części elewacji.

Termopara TE4 uzyskała stabilność w piętnastej minucie, gdy spieki ceramiczne przestały już ulegać zniszczeniu przez oddziaływanie wysokiej temperatury. Taki stan lub stan nieznacznie zmieniony utrzymywał się praktycznie do końca badania.

Wnioski

Model elewacji wentylowanej w skali naturalnej stanowi ogromne źródło wiedzy dotyczące jej zachowania się w trakcie pożaru. Problem destrukcji okładziny zewnętrznej w przypadku płyt włóknisto-cementowych i spieków ceramicznych nie był dotychczas dostatecznie rozpoznany, a badania takie jak przedstawiono w artykule wskazują na tendencje „zachowania” się elewacji oraz tychże okładzin.

Płyty włóknisto-cementowe stanowią duże zagrożenie bezpieczeństwa użytkowania w przypadku płomieni wydostających się z otworów okiennych na elewacje w trakcie pożaru. W przypadku braku zastosowania dodatkowych mocowań, takich jak perforowane taśmy stalowe, elementy spadające mogą być dużych rozmiarów i utrudniać ewakuację oraz stwarzać zagrożenie dla ludzi ewakuujących się z budynku zajętego pożarem.

Spieki ceramiczne wydają się bezpieczniejszą formą okładziny zewnętrznej dla elewacji wentylowanych. Niestety ulegają destrukcji znacznie szybciej, bo od około szóstej minuty. Zagrożenie spadającymi elementami mija po kilkunastu minutach od zajęcia ogniem elewacji.

W przypadku płyt włóknisto-cementowych widoczna destrukcja rozpoczyna się od około jedenastej minuty i przebiega przez cały okres oddziaływania wysoką temperaturą.

Kolejne kroki badawcze, pomagające rozwiązać problemy elewacji wentylowanych oraz zwiększyć ich bezpieczeństwo, powinny zdaniem autorów dotyczyć badania zdegradowanych próbek podczas oddziaływania pożarem poprzez różne formy badań nieniszczących.

W literaturze naukowej jest brak analizy struktury zdegradowanych elementów okładzin temperaturą pożarową – 550–650°C. Takie badania pozwoliłyby prawdopodobnie ulepszyć materiał i zbadać w nim najsłabsze elementy.

Literatura

1. K. Schabowicz, „Elewacje wentylowane. Technologia Produkcji i metody badania płyt włóknisto-cementowych”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2018.
2. EOTA ETAG 034 Part 2, „Cladding Kits comprising Cladding components, associated fixings, subframe and possible insulation layer”.
3. M. Ibañez-Puy, M. Vidaurre-Arbizu, J.A. Sacristán-Fernández, C. Martín-Gómez, „Opaque Ventilated Façades: Thermal and energy performance review”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 79/2017, pp. 180–191.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019 poz. 1065).
5. EOTA ETAG 034 Part 1, „Ventilated Cladding Kits comprising Cladding components and associated fixings”.
6. P. Sulik, J. Kinowski, „Bezpieczeństwo użytkowania elewacji”, „Materiały Budowlane” 9/2014, s. 38–39.
7. M. Kosiorek, „Analiza wybranych wymagań dotyczących bezpieczeństwa pożarowego,” „Materiały Budowlane” 7/2014.
8. B. Sędłak, J. Kinowski, P. Sulik, G. Kimbar, „The risks associated with falling parts of glazed façades”, „Open Engineering”, tom 8/2018, pp. 147–155.
9. BS 8414-1:2015+A1:2017, „Fire performance of external cladding systems. Test method for non-loadbearing external cladding systems applied to the masonry face of a building, Building Research Establishment”.
10. PN-90/B-02867:1990+Az1:2001, „Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania stopnia rozprzestrzeniania ognia przez ściany”.
11. EOTA No 761/PP/GRO/IMA/19/1133/11140, European Commision, 2019.
12. ISO 13785-2:2002, „Reaction-to-fire tests for façades. Part 2: Large-scale test”.
13. M. Smolka, E. Anselmi, T. Crimi, B. Le Madec, I.F. Moder, K.W. Park, R. Rupp, Y.-H. Yoo, H. Yoshioka, „Semi-natural test methods to evaluate fire safety of wall claddings: Update”, MATEC Web of Conferences vol. 46, 2016.
14. B. Sędłak, J. Kinowski, P. Sulik, „Falling parts of external walls claddings in case of fire – test method – results comparison”, MATEC Web of Conferences vol. 46, 2016.
15. J. Kinowski, B. Sędłak, P. Roszkowski, P. Sulik, „Wpływ sposobu zamocowania okładzin elewacyjnych na ich zachowanie w warunkach pożaru”, „Materiały Budowlane” 8/2017, s. 204–205.
16. R. Weghorst, B. Hauze, E. Guillaume, „Determination of fire performance of ventilated facade systems on combustible insulation using LEPIR2,” Proceedings of 14th international fire and engineering conference Interflam, Windsor, 2016.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!