Bezpieczeństwo pożarowe złożonych systemów izolacji cieplnej ETICS

Wraz z rosnącym naciskiem na ochronę klimatu i zmniejszenie zużycia energii przez budynki do izolacji przegród zewnętrznych coraz częściej stosuje się złożone systemy izolacji cieplnej (ETICS) z płytami termoizolacyjnymi wykonanymi z ekspandowanego polistyrenu (EPS). Bezpieczeństwo pożarowe systemów ETICS zostanie omówione w poniższym artykule.

Definicja bezpieczeństwa

Bezpieczeństwo to ochrona systemu przed zagrożeniami i ryzykiem. Definicja bezpieczeństwa może dotyczyć zarówno systemu społecznego, jak i technicznego [1]. Zazwyczaj zwiększenie bezpieczeństwa związane jest z poniesieniem dodatkowych kosztów. Często prowadzi ono do poprawy niezawodności systemu, ale także do ograniczenia swobody projektowania czy użytkowania danego rozwiązania.

Z powyższej definicji wynika, że wyższy poziom bezpieczeństwa związany jest z wprowadzeniem pewnych ograniczeń, lub też specjalnych rozwiązań technicznych, które zazwyczaj powiązane są z wyższymi kosztami budowy czy eksploatacji budynku [2]. Tak więc w praktyce szukamy zawsze rozsądnej granicy między zadowalającym poziomem ryzyka a zakresem środków niezbędnych do osiągnięcia akceptowalnego bezpieczeństwa. Z takim przypadkiem spotykamy się, rozpatrując bezpieczeństwo pożarowe ścian zewnętrznych budynków mieszkalnych, w których zastosowano złożone systemy izolacji cieplnej ETICS w celu poprawy ich efektywności energetycznej.

Złożone systemy ociepleń są powszechnym sposobem ocieplania budynków w większości państw europejskich, gdzie stosowane są już od lat 60. ubiegłego wieku.

W ostatnich latach toczy się debata na temat ich bezpieczeństwa pożarowego [3, 4]. W krajach takich jak Chorwacja, Węgry, Finlandia, Czechy, Słowacja, Niemcy czy Francja, jako środki mające na celu poprawę tego bezpieczeństwa, zaproponowano stosowanie barier przeciwpożarowych z materiałów niepalnych (o klasie podstawowej co najmniej A2 wg normy PN-EN 13501-1 [5]), w postaci pasów międzykondygnacyjnych oraz zabezpieczenia nadproży okien [6].

Wspomniane rozwiązanie zostało wprowadzone w tych krajach, pomimo iż wyniki badań ogniowych prowadzonych na szeroką skalę, a także wyniki symulacji pożarowych wykazują, że najbardziej krytycznym miejscem rozprzestrzeniania się ognia w przegrodach zewnętrznych budynków są okna [7].

Jeżeli pożar, który wybuchnie w mieszkaniu, nie zostanie ugaszony w pierwszej fazie, dochodzi do tzw. rozgorzenia (ang. ­flashover), tj. gwałtownego przejścia rosnącego pożaru w pożar w pełni rozwinięty [8]. Zazwyczaj w tej fazie pożaru dochodzi do wybuchu gazów nagromadzonych w górnej części pomieszczenia, a w konsekwencji do pęknięcia szyby w oknie i wydostania się płomieni na zewnątrz budynku. Wysokość płomienia na elewacji zewnętrznej, w fazie w pełni rozwiniętego pożaru, to zazwyczaj od 3 do 4 m. W wyniku oddziaływania płomienia wydostającego się z pomieszczenia po upływie ok. 10 min dochodzi do uszkodzenia szyby w oknie mieszkania znajdującego się na kolejnej kondygnacji (FOT. 1–3).

Opisany proces, w przypadku braku interwencji gaśniczej, powtarzany jest w odstępach 10–12-minutowych, aż do momentu osiągnięcia najwyższego piętra i dachu. Proces ten wiele lat temu opisał inż. Ingolf Kotthoff, niemiecki ekspert ds. bezpieczeństwa pożarowego budynków [9].

Opisany powyżej mechanizm pokazuje, że na fasadzie budynku mieszkalnego, na którym nie zastosowano żadnego systemu izolacji termicznej, może dochodzić do pionowego rozprzestrzeniania się ognia na wyższe kondygnacje. Z obserwacji wynika, iż najsłabszym punktem ściany zewnętrznej jest okno.

Wpływ działania rozwiniętego pożaru wewnątrz pomieszczenia na okna pokazano w badaniu odporności ogniowej otworów okiennych przeprowadzonych w laboratorium badań ogniowych PAVUS (Republika Czeska) przez firmę Promat [10]. Podczas badania testowano trzy rodzaje szyb (FOT. 4 i FOT. 5):

• żelową szybę ognioodporną,
• standardową szybę podwójną,
• szybę zbrojoną siatką z drutu stalowego.

Badania pokazały, iż standardowa szyba podwójna pod wpływem działania płomieni pęka w 5. minucie od zainicjowania pożaru, natomiast żelowa szyba ognioodporna w 22. minucie od rozpoczęcia badania. Pełne badania przeszła jedynie szyba ze szkła hartowanego z wtopioną siatką stalową. Uszkodzenie szyby nastąpiło w 30. minucie od rozpoczęcia badania odporności ogniowej, kiedy temperatury w piecu wynosiły od 700 do 900°C.

Na podstawie wyników badań odporności ogniowej okien stwierdzono, że jedynym rozwiązaniem zapobiegającym wydostawaniu się ognia na zewnątrz budynku jest okno wykonane ze szkła hartowanego z wtopioną siatką stalową.

Alternatywnym rozwiązaniem, zapewniającym zwiększenie bezpieczeństwa pożarowego ścian zewnętrznych, są okna z warstwą ogniochronną w postaci żelu. Zastosowanie tego typu rozwiązań jest możliwe w praktyce, ale oznacza przede wszystkim kilkukrotnie wyższe nakłady finansowe i związane jest z pewnymi ograniczeniami, np. pogorszeniem przezierności czy estetyki wykonania tego typu oszkleń. Tak więc w praktyce budowlanej w 99% przypadków stosuje się standardowe szyby podwójne lub potrójne, które charakteryzuje bardzo niski poziom bezpieczeństwa pożarowego.

I znów dochodzimy do kwestii akceptowalnego ryzyka omawianego na wstępie niniejszego artykułu. W świetle przedstawionych wyników badań ogniowych zadziwiający jest fakt, że tak wiele uwagi poświęca się obecnie bezpieczeństwu pożarowemu złożonych systemów izolacji cieplnej ETICS, które w praktyce nie stwarzają znacznego zagrożenia, pod warunkiem poprawnego wykonania [11], a okna do tej pory pozostawały poza dyskusją ekspertów pożarnictwa.

Badania ogniowe złożonych systemów izolacji cieplnej w dużej skali

Zarówno producenci złożonych systemów izolacji cieplnej ETICS, jak i dostawcy materiałów termoizolacyjnych, w tym EPS, przywiązują dużą wagę do bezpieczeństwa pożarowego swoich wyrobów. Dlatego też okresowo poddają je ocenie pod kątem bezpieczeństwa pożarowego lub/i reakcji na ogień zgodnie z odpowiednim systemem oceny i weryfikacji stałości właściwości użytkowych [12].

Wymagania ogniowe dotyczące bezpieczeństwa pożarowego ETICS regulują krajowe wymagania prawne, a poszczególne kraje mają własne przepisy dotyczące akceptowanych metod badawczych.

W Europie w celu oceny systemów ociepleń stosuje się kilka metod opisanych m.in. w normach ISO 13785-2:2002 (metodologia międzynarodowa) [13], BS 8414-1:2015+A1:2017 (metodologia brytyjska) [14] i inne [15].

W tego typu badaniach określono również efektywność zastosowania rozwiązań barier przeciwpożarowych w postaci pasów międzykondygnacyjnych lub/i zabezpieczenia nadproży otworów okiennych (w przypadku przytoczonych metod badawczych równoważnych z nadprożem komory spalania) [16–19]. Badania w dużej skali przeprowadzono m.in. w Niemczech [16], Czechach [17] oraz Polsce [18]. Moc źródła ognia we wskazanych badaniach ogniowych sięgała 3 MW, a przeciętnie badanie trwało od 30 do 60 min. (FOT. 6-8, FOT. 9-11, FOT. 12-14 i FOT. 15-16).

Wyniki badań ogniowych złożonych systemów ociepleń ETICS z EPS w dużej skali pokazują, że systemy te są bezpieczne pod względem pożarowym, niezależnie od tego, czy zastosowano bariery ogniowe, a także niezależnie od typu zastosowanej bariery ogniowej wykonanej z wełny mineralnej [18].

We wszystkich badaniach przeprowadzonych w różnych laboratoriach badawczych zauważono, iż zastosowanie bariery ogniowej, w tym przypadku bariery z wełny mineralnej (MW), prowadzi do wytworzenia miejsca, w którym następuje nagromadzenie wytopionego styropianu. Wytopiony styropian może następnie stanowić dodatkowe źródło ognia, może wpłynąć na wydłużenie czasu trwania pożaru lub doprowadzić wełnę mineralną (MW) do stanu ciągłego tlenia. W przypadku braku barier ogniowych wytopiony styropian opada na grunt, więc nie dochodzi do zapłonu stopionej masy, pod warunkiem utraty szczelności/ciągłości nadproża.

W świetle omówionych wyników badań stosowanie barier ogniowych wydaje się więc przynosić efekt przeciwny do zamierzonego, a biorąc pod uwagę zagrożenia techniczne wynikające ze stosowania na przemian dwóch zupełnie różnych materiałów termoizolacyjnych, jest wręcz niepożądane [20–21].

Statystyka ofiar pożarów

Najlepszym sposobem odpowiedzialnej oceny rzeczywistego ryzyka związanego ze stosowaniem ETICS jest analiza historycznych statystyk dotyczących pożarów i ich ofiar (RYS. 1) [22].

Z przedstawionych danych statystycznych wynika, iż we wszystkich rozwiniętych częściach świata liczba ofiar śmiertelnych pożarów systematycznie spada od początku lat 80. ubiegłego wieku (RYS. 1).

Ponadto można stwierdzić na podstawie przedstawionych danych, że nie ma związku między rosnącą produkcją i zastosowaniem tworzyw sztucznych w budownictwie a liczbą ofiar śmiertelnych pożarów (RYS. 2) [23]. Nie ma też żadnego związku między udziałem w rynku tzw. niepalnej izolacji termicznej a liczbą ofiar śmiertelnych pożarów (RYS. 3) [24].

Toksyczność dymu materiałów termoizolacyjnych

Jeśli w przeszłości w pożarach zdarzały się ofiary śmiertelne, to tylko niewielka część z nich umierała bezpośrednio w wyniku działania płomieni i wysokiej temperatury. Większość z tych ofiar udusiła się toksycznym dymem.

Zdecydowanie największym źródłem dymu są elementy wyposażenia mieszkań, takie jak meble, dywany, zasłony itp. W tym przypadku udział izolacji termicznej umieszczonej po zewnętrznej stronie ściany obwodowej odgrywa znikomą rolę. Niemniej jednak w laboratoriach europejskich prowadzone są badania nad toksycznością dymu pochodzącego z materiałów termoizolacyjnych, który przez rozbite/uszkodzone okno mógłby dostawać się do pomieszczeń powyżej miejsca pożaru i utrudniać ewentualną ewakuację.

W Szwecji badanie dymotwórczości materiałów i toksyczności produktów ich rozkładu termicznego i spalania ocenia się metodami wg normy ISO 5659-2:2017 [25]. W czasie badań materiałów określa się gęstość optyczną właściwą i stężenia m.in. CO₂, CO, HCN, SO₂, NO₂, NO, HCl, HF, HBr za pomocą analizatora podczerwieni FTIR.

Na podstawie wartości stężeń masowych emisji właściwej oznaczanych substancji toksycznych w produktach rozkładu termicznego i spalania określa się konwencjonalny indeks toksyczności (CIT). Badania zgodnie z normą EN ISO 5659-2:2017 wykonano w Szwedzkim Instytucie Badawczym RISE (RYS. 4) [26] oraz Instytucie Technicznym Ochrony Przeciwpożarowej TUPO (RYS. 5) [27].

Na podstawie wyników badań przeprowadzonych w obu instytutach można wywnioskować, że ekspandowany polistyren (EPS) nie stwarza większego ryzyka powstawania toksycznych oparów dymu niż inne materiały termoizolacyjne, w tym tzw. materiały niepalne, jak wełna mineralna (MW).

Europejskie zasady dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego w budynkach B.I.O.

Problem bezpieczeństwa pożarowego budynków nie może być zawężony do poszczególnych składowych stanowiących pewną całość konstrukcji budynku i szczególnych rozwiązań technicznych, do których zakwalifikować można złożone systemy izolacji cieplnej ETICS. Konieczne jest zajęcie się bezpieczeństwem pożarowym w budynkach w sposób kompleksowy, tzn. z zastosowaniem podejścia holistycznego (RYS. 6) [28].

Po pożarze Grenfell Tower Komisja Europejska utworzyła w 2017 r. unijną platformę wymiany informacji o pożarach (FIEP) i określiła pięć kluczowych priorytetów, dla których powołano grupy robocze:

1. Wspólna terminologia i statystyki pożarowe.
2. Stosowanie zasad zapobiegania pożarom.
3. Regulacyjne podejście do nowych produktów, w tym budynków wysokich.
4. Wymiana doświadczeń z wypadków pożarowych.
5. Zastosowanie zasad inżynierii pożarowej w przepisach budowlanych.

To holistyczne podejście przedstawione przez Modern Building Alliance [28], które jest ściśle związane z siedmioma poziomami bezpieczeństwa pożarowego w budynkach, uwzględnia nie tylko dobór materiałów budowlanych, projekt i konstrukcję budynku, ale także instalacje techniczne (detekcji, wentylacji, gaszenia pożaru) i zarządzanie bezpieczeństwem pożarowym przez cały okres eksploatacji budynku. Uwzględnia również nadzór nad rynkiem materiałów budowlanych w celu ciągłego monitorowania deklarowanych właściwości użytkowych wyrobów mających zastosowanie, gdy postawione są wymagania dotyczące reakcji na ogień i bezpieczeństwa pożarowego.

Proponowane zasady obejmują wyjaśnienie ról i obowiązków poszczególnych uczestników w całym łańcuchu wartości. Najważniejsze zasady dotyczą:

• podjęcia niezbędnych działań w celu zapobiegania pożarom,
• szybkiej detekcji pożaru,
• dostępności sprawnego ręcznego lub automatycznego sprzętu do gaszenia,
• dostępności szybkich metod powiadamiania odpowiednich służb, w tym pożarniczych, w celu zabezpieczenia bezpieczeństwa osób znajdujących się w budynku i zapobiegania powstawania szkód materialnych,
• ewakuacji osób znajdujących się w budynku w bezpieczne miejsce, jeśli pożaru nie można natychmiast ugasić,
• zapobiegania przez straż pożarną rozprzestrzeniania się ognia i powstałego w jego wyniku dymu na inne pomieszczenia i kondygnacje,
• ochrony budynku, w tym zachowanie nośności budynku, aby zapewnić bezpieczeństwo ewakuowanym mieszkańcom i uczestnikom akcji ratunkowo-gaśniczej.

Tych kilka reguł powinno zapewnić spójność środków ochrony przeciwpożarowej. Powinny one zostać wdrożone w krajowych wymaganiach dotyczących budynków, obiektów i organizacji w zakresie bezpieczeństwa pożarowego i być wspierane przez organy nadzoru rynku pod kątem zapewnienia odpowiednich deklarowanych właściwości użytkowych wyrobów oraz zasadniczych charakterystyk dla zamierzonego zastosowania.

Holistyczne podejście do zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego użytkownikom budynków to tzw. struktura B.I.O. stanowiąca akronim zagadnień w języku angielskich dotyczących wymagań dla budynków (Building Requirements), instalacji technicznych (Instalations) oraz wymagań organizacyjnych (Organisational Requirements). Proponowane wymagania zależą od rodzaju budynków, w szczególności od ich wysokości i przeznaczenia.

W zależności od typu, budynki muszą spełniać odpowiednie wymagania projektowe w zakresie bezpieczeństwa pożarowego. Należy pamiętać, że wymagania dotyczące budynków odnoszą się do wszystkich elementów związanych z konstrukcją, takich jak drogi ewakuacyjne, pomieszczenia lub strefy dostępu straży pożarnej. W przypadku budynków zastosowanie metod inżynierii bezpieczeństwa pożarowego pozwala na zaprojektowanie budynków w taki sposób, aby ich wpływ na ogień był minimalny.

Instalacje to urządzenia, które w zasadniczy sposób związane są z warstwami bezpieczeństwa pożarowego. To m.in. czujki dymu i tlenku węgla, odpowiednie systemy alarmowe, drzwi przeciwpożarowe i systemy gaśnicze. Niemniej jednak same wymagania dotyczące budynków i instalacji nie są wystarczające. Wymagają one także właściwych uwarunkowań organizacyjnych, aby zapewnić ich właściwe egzekwowanie.

Ostatnie zagadnienie dotyczy następujących aspektów:

• projektowania (w fazie projektowania wszyscy uczestnicy projektu budowlanego muszą odpowiedzialnie współpracować, aby zapewnić, że projekt budynku spełnia wszystkie wymagania w zakresie bezpieczeństwa pożarowego),
• budowy (podczas budowy należy dokładnie sprawdzić projekt i instalację systemów, produktów i wyposażenia, aby zapewnić ich zgodność z projektem i wymaganiami bezpieczeństwa pożarowego),
• nadzoru i kontroli (kontrole istniejących budynków są konieczne, aby zapewnić, że konserwacja jest przeprowadzana prawidłowo oraz aby zidentyfikować potencjalne zmiany, naruszenia lub ulepszenia).

Podsumowanie

W Europie każde państwo członkowskie jest odpowiedzialne za określenie szczegółowych wymagań konstrukcyjnych, instalacyjnych i organizacyjnych, które odpowiadają różnym tradycjom budowlanym.
Zastosowanie holistycznego, siedmiopoziomowego podejścia do bezpieczeństwa pożarowego w budynkach, uwzględniającego w pełni i stosującego się do odpowiednio egzekwowanych krajowych wymagań dotyczących budynków, instalacji i organizacji (B.I.O.), popartych normami UE, stworzy skuteczne ramy dla zapewnienia wszystkim obywatelom UE bezpieczeństwa pożarowego w budynkach.

Literatura

 1. J.W. Vincoli, „Basic Guide to System Safety”, John Wiley & Sons, Inc., 2005.
 2. Strona internetowa: https://www.fmmedia.com.au/sectors/fire-safety-and-the-cost-of-fire-safety-achieving-the-right-balance/
 3. „Finalisation of the European approach to assess the fire performance of façades”, https://www.ri.se/en/search?types=project
 4. J. Andersson, L. Boström, R.J. McNamee, „Fire Safety of Façades”, Brandforsk 2017:3, 2017.
 5. PN-EN 13501:2017, „Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 1: Klasyfikacja na podstawie reakcji na ogień”.
 6. Wytyczne SITP WP – 03:2018 „Wytyczne projektowania. Ocieplania elewacji budynków z uwagi na bezpieczeństwo pożarowe”, Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Pożarnictwa.
 7. B. Zhau, „Application and Design Requirmenets of Fire Windows in Buildings”, Procedia Engineering, 2014, 71, p. 286.
 8. J.G. Quintiere, „Principles of Fire Behaviour”, CRC Press, 2016.
 9. I. Kotthoff, J. Riemesch-Speer, „Mechanism of fire spread on façades and the new Technical Report of EOTA. Large-scale fire performance testing of external wall cladding systems”, Proceedings of the MATEC Web of Conferences, 1st International Seminar for Fire Safety of Facades, Paris, France, 14–15 November 2013, 9, 02010.
10. PROMAT, Badanie odporności ogniowej przeprowadzone w laboratorium badań ogniowych PAVUS (Republika Czeska), 2015.
11. „Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych. Część C: Zabezpieczenia i izolacje. Zeszyt B. Złożone systemy ociepleń ścian zewnętrznych budynków (ETICS) z zastosowaniem styropianu lub wełny mineralnej i wypraw tynkarskich”, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2020.
12. J. Michalak, „External Thermal Insulation Composite Systems (ETICS) from Industry and Academia Perspective, Sustainability”, 2021, 13, 13705.
13. ISO 13785-2:2002, „Reaction-to-fire tests for façades – Part 2: Large-scale test”.
14. BS 8414-1:2020, „Fire performance of external cladding systems. Test method for non-loadbearing external cladding systems fixed to, and suported by, a masonry substrate”.
15. SP FIRE 105:1994, „Method for fire testing of façade materials”, Dnr 171-79-360 Department of Fire Technology, Swedish National Testing and Research Institute”.
16. Industrieverband Hartschaum, e.V.(IVH): ISO 13 785-2 Large scale fire test of ETICS with fire barrier.
17. Czech EPS Association: ISO 13 785-2 Large scale fire test of ETICS in Czech fire laboratory PAVUS, a.s., 2014.
18. M. Niziurska, M. Wieczorek, K. Borkowicz, „Fire Safety of External Thermal Insulation Systems (ETICS) in Aspect of Sustainable Use of Natural Resources”, Sustainability, 2022, 14, p. 1224.
19. ISO 13785-1:2002, „Reaction-to-fire tests for façades – Part 1: Intermediate-scale test”.
20. S.S. de Freitas, V.P. de Freitas, „Cracs on ETICS along thermal insualation joints: Case study and a patholy catalogue”, „Structural Survey”, 2016, 34, p. 57.
21. M. Nicolella, R. Landolfi, „Durability Assessment of ETICS: Comparative Evaluation of Different Insulating Materials”, „Sustainability”, 2022, 980.
22. National Fire Data Center, Fire Death Rate Trends: An International Perspective, TFRS, 12, 2011 https://www.modernbuildingalliance.eu/assets/uploads/2018/05/Fire-Death-Rate-Trends-An-International-Perspective.pdf
23. Strona internetowa: https://plasticseurope.org
24. Strona internetowa: https://www.modernbuildingalliance.eu/fire-safety-statistics/
25. ISO 5659-2:2017 „Plastics – Smoke generation – Part 2: Determination of optical density by single-chamber test”.
26. RISE Swedish Research Institute – tests of conventional index of toxicity (CIT) were carried out according to EN 45545-2: 2013.
27. MV–GŘ HZS ČR, Technical Institute of Fire Protection Testing Laboratory TÚPO, TEST REPORT No. 01–TZH–2020, 2020.
28. Strona internetowa: https://www.modernbuildingalliance.eu/b-i-o-framework