Właściwości ogniowe drewna
Mirosław Kosiorek
1. Szkielet drewniany w budownictwie polskim
Ostatnio mówi się o budownictwie drewnianym używając terminów budynki czy technologie kanadyjskie, szwedzkie, amerykańskie. Są to drewniane budynki wykańczane od zewnątrz tzw. sidingiem, a od wewnątrz płytami gipsowo-kartonowymi. Przez siding rozumie się na ogół nie dowolną szalówkę, lecz szalówkę z tworzyw sztucznych (zwykle PVC). Szkieletowe budownictwo drewniane nie jest zjawiskiem nowym, chociaż budownictwo to przeżywało regres technologiczny.
W okresie międzywojennym wszystkie miejscowości podwarszawskie w kierunku Otwocka składały się z takich właśnie budynków. Wzniesiono je z dostępnych wówczas materiałów, i tak siding była to szalówka drewniana. Izolację cieplną wykonywano z tzw. “zasypki otwockiej”, czyli suchego igliwia z wapnem. Wykończeniem wewnętrznym był tynk cementowo-wapienny na trzcinie.
Konstrukcję drewnianą wznoszono stosując połączenia ciesielskie. Powstawały w ten sposób budynki do trzech kondygnacji. Klatki schodowe, trzony kuchenne i kominy wykonywano z cegły. Na kondygnacji mieściły się zwykle 2 lub 3 mieszkania.
Wiele okazałych willi w rejonie Podkowy Leśnej czy Zalesia wykonano jako drewniane budynki szkieletowe, które po otynkowaniu od zewnątrz robiły wrażenie murowanych.
Budynki te na ogół nie były dobrze zabezpieczone przed wilgocią.
2. Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych
W wyniku działania ognia ulega zmniejszeniu przekrój poprzeczny elementu wskutek zwęglenia. Zwęglona warstwa drewna tworzy rodzaj otuliny izolacyjnej. Przyjmuje się prędkość zwęglania drewna litego 0,8 mm/min, a drewna klejonego warstwowo 0,6 mm/min. Nieco większa jest prędkość zwęglania w narożach.
Zasady określania odporności ogniowej prętowych konstrukcji z drewna klejonego podawane są w aprobatach technicznych. Metody obliczeniowe można stosować tylko wtedy, gdy podczas ogrzewania nie zachodzi rozwarstwienie drewna klejonego. Bez obliczeń można przyjmować, że belki z drewna litego o szerokości nie mniejszej niż 14 cm mają odporność ogniową R 30 (F 0,5).
W przypadku zbyt małych przekrojów stosuje się zabezpieczenia ogniochronne z płyt gipsowo-kartonowych lub innych, podobnie jak dla konstrukcji stalowych (według aprobat technicznych).
Środki ogniochronne służące do poprawy właściwości drewna z uwagi na reakcję na ogień, tzn. takie jak różnego rodzaju preparaty solne i farby pęczniejące, dzięki którym drewno uzyskuje klasyfikację materiału trudnozapalnego lub niezapalnego nie powodują zwiększenia odporności ogniowej konstrukcji.
O odporności ogniowej stropów drewnianych decyduje na ogół nie nośność belek stropowych, lecz utrata szczelności i izolacyjności w obszarach pomiędzy belkami na skutek przepalenia i wypadania izolacji. Rozwiązania stropów, dachów i ścianek działowych o szkielecie drewnianym podawane są w aprobatach technicznych. Nie ma większych problemów technicznych z uzyskaniem klasy odporności ogniowej tego rodzaju przegród REI 30 (F 0,5) lub REI 60 (F 1).
3. Właściwości ogniowe
Podstawową właściwością drewna, odróżniającą ten materiał w warunkach pożaru od takich materiałów jak stal czy beton, jest jego palność. W wyniku spalania tworzy się izolacyjna warstwa zwęglona. Grubość tej warstwy rośnie w funkcji czasu, a prędkość zwęglania zależy, oprócz innych czynników, od przebiegu temperatury. Część zwęglona nie ma praktycznie żadnych właściwości wytrzymałościowych. Wewnątrz przekroju pozostaje niezwęglone jądro, w którym wzrasta temperatura i wilgotność.
O zapalności drewna decydują właściwości fizyczne oraz zastosowanie impregnacji lub powłoki ogniochronnej. Drewno miękkie o gęstości objętościowej poniżej 650 kg/m 3 , bez zabezpieczeń ochronnych, zaliczane jest do grupy materiałów łatwo palnych. Należy więc do niej również powszechnie stosowane w budownictwie – drewno świerkowe i sosnowe. Drewno twarde (z drzew liściastych) o gęstości powyżej 800 kg/m 3 jest natomiast trudno zapalne. W skład grupy materiałów niezapalnych wchodzą m.in. trocinobeton, twarde płyty wiórowo-cementowe i inne tego typu materiały drewnopochodne, ulegające lokalnemu zwęgleniu bez wyraźnego zapalania.
W niszczącym oddziaływaniu temperatury na powierzchnię i strukturę wewnętrzną drewna można wyróżnić 2 etapy. W pierwszym etapie, endotermicznym, temperatura początkowo nie przekracza 100 !C ze względu na znaczną zawartość w drewnie wilgoci (przeciętnie 12-16%). Przekroczeniu temperatury ok. 125 !C zaczynają się wydzielać substancje lotne. W tej fazie procesu drewno zachowuje jeszcze swoje początkowe właściwości fizyczne. Ulegają one zmianom w następnym etapie, egzotermicznym, początkującym właściwy proces spalania. W temperaturze ok. 250 !C następuje zapłon powierzchni drewna, połączony z intensywnym wydzielaniem gazów palnych. Na podstawie badań ogniowych elementów niezabezpieczonych, okres poprzedzający ich zapalenie szacuje się na około 3-5 min.
Podczas spalania powierzchni drewna w równomierny sposób narasta warstwa węgla, której kruchość i przyczepność zależy od gatunku drewna. Dzięki swej porowatej strukturze (w wyniku termicznego rozkładu drewna powstaje tylko 15% substancji stałych) warstwa ta ma niską przewodność cieplną, kilka razy mniejszą od przewodności drewna z drzew iglastych. Warstwa ta ogranicza dopływ tlenu do niezwęglonego wnętrza elementu, a więc i przyrost temperatury, co umożliwia przez pewien czas przenoszenie obciążeń eksploatacyjnych przez konstrukcję drewnianą podczas pożaru.
W zaawansowanej fazie spalania na powierzchni przekroju poprzecznego elementu wyróżnić można 5 stref temperatury, w których zachodzą następujące procesy: 1) niezwęglone jądro (rdzeń) elementu, w którym temperatura nie przekracza 100 !C, 2) obrzeże jądra, w którym w temperaturze 100-200 !C rozpoczyna się proces pirolizy, połączony z intensywną emisją gazów, 3) strefa, w której w temperaturze 200-280 !C rozpoczyna się zwęglanie drewna, zaś produkty rozkładu termicznego ulegają częściowemu zapaleniu, 4) strefa całkowitego zwęglania, w której w temperaturze powyżej 280 !C drewno rozkłada się na węgiel i substancje lotne, 5) obszar żarzenia, w którym w temperaturze do 1100 !C węgiel drzewny ulega spalaniu, wydzielając produkty lotne.
Podczas spalania elementu drewnianego początkowo dość szybko wzrasta grubość powierzchniowej warstwy zwęglonej, następnie proces ten ulega nieznacznemu zahamowaniu (wskutek ochronnego działania węgla i odparowania wilgoci do wnętrza elementu), zaś w końcowym etapie – po całkowitym odprowadzeniu wody – następuje ponowne przyspieszenie procesu zwęglania. Jak wynika z wielu badań (prowadzonych również w Instytucie Techniki Budowlanej), prędkość przyrostu warstwy węgla na powierzchni spalanych elementów wynosi od ok. 0,5 do 0,9 mm/min. Prędkość tę ?b) dla drewna klejonego przyjmuje się jako 0,6 mm/min, natomiast dla drewna litego na ogół 0,80 mm/min.
Widok przekroju z drewna klejonego po badaniach ogniowych i wartości temperatury w trakcie badania pokazano na rys. 1.
W obliczeniach odporności ogniowej, z uwagi na nośność, przyjmuje się zmiany przekroju nośnego według rys. 2 oraz współczynniki korekcyjne właściwości mechanicznych niezwęglonego jądra przekroju:
4. Klasyfikacja elementów o szkielecie drewnianym i wymagania bezpieczeństwa pożarowego
Drewno jako materiał palny klasyfikuje się z uwagi na stopień palności. Klasyfikacja ta dotyczy w zasadzie elementów wykończenia wnętrz (boazerie, okładziny ścian). Elementy budynku klasyfikuje się z uwagi na odporność ogniową i rozprzestrzenianie ognia.
W następujących przypadkach można uważać, że elementy z drewna są nierozprzestrzeniające ognia:
1. jeżeli w procesie wytwarzania lub na budowli zostały zabezpieczone do stopnia niezapalności według odpowiedniej Aprobaty Technicznej ITB,
2. elementy z drewna klejonego (klej rezorcynowy lub melaminowy) o minimalnym wymiarze przekroju poprzecznego 14 cm,
3. stropodachy drewniane z niepalną podsufitką i pokryciem nie rozprzestrzeniającym ognia,
4. poddasza drewniane nieużytkowe, wydzielone niepalną podsufitką z pokryciem nierozprzestrzeniającym ognia pod warunkiem, że na poddaszu nie ma instalacji elektrycznych, a przechodzące przez poddasze przewody wentylacyjne są wykonane z ceramiki lub betonu. Mogą także przechodzić przez poddasze przewody z blachy zaizolowane według Aprobaty Technicznej ITB,
5. poddasze użytkowe z pokryciem nierozprzestrzeniającym ognia, wydzielone od wewnątrz płytami niepalnymi (np. płyty gipsowo-kartonowe) lub niezapalnymi.
Elementy szkieletowe wypełnione wełną mineralną w okładzinach z płyty gipsowo-kartonowej zbrojonej lub nie, są nierozprzestrzeniające ognia.
Poniżej zestawiono wymagania dla poszczególnych części budynków mieszkalnych do 3 kondygnacji:
Budynki mieszkalne, zawierające nie więcej niż 4 mieszkania oraz jednorodzinne trzykondygnacyjne i niższe są zwolnione z wymagań dotyczących odporności ogniowej elementów i rozprzestrzenianie ognia.
Odporność ogniowa ścian pomiędzy budynkami bliźniaczymi, szeregowymi lub atrialnymi powinna wynosić co najmniej 60 min.
Budynki wielorodzinne do dwóch kondygnacji zaliczone są do klasy odporności pożarowej E. Zwolnione są one z wymagań dotyczących odporności ogniowej z wyjątkiem ścian pomiędzy mieszkaniami oraz obudowy dróg ewakuacyjnych. Odporność ogniowa ścian pomiędzy mieszkaniami oraz pomiędzy mieszkaniami a drogami komunikacyjnymi powinna wynosić nie mniej niż 30 min.
Stropy nad drogami ewakuacyjnymi powinny mieć odporność ogniową nie mniejszą niż 15 min.
Elementy budynku, w tym elewacja i docieplenia, muszą być co najmniej słabo rozprzestrzeniające ogień.
Budynki wielorodzinne trzykondygnacyjne, jeżeli zawierają więcej niż 4 mieszkania, zalicza się do klasy odporności pożarowej D.
Ściany nośne, stropy, ściany między mieszkaniami, pomiędzy mieszkaniami a korytarzami oraz obudowa klatki schodowej powinny być wybudowane z elementów nierozprzestrzeniających ognia, o odporności ogniowej nie mniejszej niż 30 min.
Ściany działowe i osłonowe oraz dach mogą być wykonane z elementów słabo rozprzestrzeniających ogień, przy czym nie ma w tym zakresie wymagań odnośnie do odporności ogniowej.
Jeżeli przylegają do siebie budynki o zróżnicowanej wysokości, niezależnie czy są to omawiane wyżej budynki jednorodzinne, czy wielorodzinne, a w ścianie budynku wyższego jest okno lub inny otwór, wtedy dach budynku niższego powinien spełniać następujące wymagania:
Ścianki działowe i ściany zewnętrzne (w tym elewacja) oraz dach mogą być słabo rozprzestrzeniające ogień. Pozostałe elementy nierozprzestrzeniające ognia. W budynkach wielorodzinnych (klasy D lub E) dopuszcza się schody drewniane pod warunkiem wydzielenia klatek schodowych drzwiami o odporności ogniowej nie mniejszej niż 30 minut z samozamykaczami.
Konstrukcja piwnic (ściany, stropy) powinny mieć odporność ogniową nie mniejszą niż 60 minut. Piwnice powinny być zamykane drzwiami. Jeżeli drzwi do piwnic znajdują się poniżej poziomu parteru, wówczas schody z tego poziomu powinny być zabezpieczone w taki sposób, aby uniemożliwić zejście do piwnic w przypadku ewakuacji.
Garaże wbudowane powinny być wydzielone tak jak piwnice.
Połączenie garażu z domem jednorodzinnym wymaga zastosowania drzwi o odporności ogniowej 30 minut.
Dopuszcza się prowadzenie przewodów gazowych z rur stalowych bez szwu, łączonych za pomocą spawania przez jedną kondygnację garażu, znajdującą się bezpośrednio pod budynkiem, pod warunkiem zabezpieczenia tych przewodów przed uszkodzeniem.
Ściany wydzielające kotłownie o wydajności powyżej 58 kW, opalane olejem lub gazem, muszą posiadać odporność ogniową co najmniej 60 minut. Kotłownie zlokalizowane w piwnicach powinny spełniać wymagania odporności ogniowej określone dla piwnic niezależnie od wydajności. Odległość od piwnic pomiędzy wrotami garażu a oknami budynku nie może być mniejsza niż 1,50 m. Jeżeli wykonano daszek z materiałów niepalnych o wysięgu min. 60 cm, lub jeżeli wrota garażu są cofnięte min. 80 cm poza lico ściany, odległość ta może wynosić 1,1 m. Daszek ten powinien wystawać po 0,8 m poza boczne krawędzie wrót garażu.
Zabezpieczenie szkieletu drewnianego do odporności ogniowej 30 lub 60 minut nie jest problemem technicznym. Taką odporność ogniową można uzyskać stosując jedną lub dwie warstwy płyt gipsowo-kartowych lub specjalne płyty ogniochronne.
Operowanie takimi charakterystykami jak rozprzestrzenianie ognia i odporność ogniowa jest istotne z uwagi na przepisy, lecz nie zawsze trafia do użytkowników.
Czasami powstaje pytanie jak zabezpieczyć dom przed zniszczeniem w przypadku nawet niewielkiego pożaru. Otóż drewno zapala się w temperaturze około 250-300 !C. Jeżeli zastosujemy okładzinę z jednej warstwy płyty gipsowo-kartonowej 12,5 mm zbrojonej, to po 30 minutach pożaru, po stronie szkieletu drewnianego, temperatura będzie wynosiła około 400 !C. Jeżeli zastosujemy taką płytę o grubości 15 mm, to po 30 minutach temperatura ta wyniesie 250 !C, natomiast w przypadku dwóch warstw płyt o grubości 12,5 mm każda – tylko 100 !C (po 60 minutach z 200 !C, a po 90 minutach około 400 !C).
Ważną sprawą dla bezpieczeństwa pożarowego jest prowadzenie instalacji. Nowoczesne instalacje elektryczne, reagujące natychmiast na upływność są bezpieczne.
Zagrożeniem bywają przewody kominowe i kominki. Komorę kominka z wkładem żeliwnym należy traktować jak palenisko. Izolowanie konstrukcji za pomocą płyt z suchego tynku lub wełny mineralnej nie jest rozwiązaniem skutecznym. Materiały te nie są odporne na znaczne różnice temperatury i ulegają po pewnym czasie desktrukcji (spękania, obsypywanie).
Obudowa przewodów dymowych i spalinowych powinna posiadać odporność ogniową min. 60 minut, przy czym warunek ten jest spełniony, jeżeli jest ona wykonana z cegły pełnej 12 cm, murowanej na zaprawie cementowo-wapiennej, z wewnętrznym tynkiem lub spoinowaniem.
Paleniska (kominki) powinny być umieszczone na podłożu niepalnym o grubości min. 0,15 m. Podłoga łatwo zapalna (np. z desek sosnowych), powinna być zabezpieczona pasem z materiału niepalnego, o szerokości min. 0,30 m, sięgającym po 30 cm poza krawędzie drzwiczek.
W pomieszczeniach ze stropami drewnianymi, paleniska powinny mieć okapy wykonane z materiałów niepalnych, wystające min. 0,30 m poza krawędź paleniska. Paleniska te powinny być umieszczone w odległości co najmniej 0,60 m od łatwo zapalnych części budynku.
Odległość nie izolowanych przewodów wentylacyjnych od wykładzin i powierzchni palnych powinna wynosić min. 50 cm.
Kominy powinny być sytuowane względem konstrukcji drewnianej według rys. 3.
Literatura
KOSIOREK M. i inni: Odporność ogniowa konstrukcji budowlanych. ARKADY, Warszawa 1990
PN-90/B-02851 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania odporności ogniowej budynków (obowiązujące: p. 1.2, p. 1.3.1 do 1.3.8, p. 2.1 do 2.7)
PN-93/B-02862 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania niepalności materiałów budowlanych
PN-B-02873:1996 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania stopnia rozprzestrzeniania ognia po izolacjach rurowych i przewodach wentylacyjnych
PN-B-02874:1996 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania stopnia palności materiałów budowlanych Lista obowiązujących przepisów znajduje się w haśle
Klasyfikacja wyrobów budowlanych z uwagi na rozprzestrzenianie ognia, oraz ocena materiałów budowlanych pod względem pożarowym.
Artykuł wydrukowany z Budownictwo i budowa domu dla profesjonalistów – SolidnyDom.pl: http://solidnydom.pl
Adres artykułu: http://solidnydom.pl/wlasciwosci-ogniowe-drewna.html
Kliknij TUTAJ aby wydrukować.