Odporność ogniowa konstrukcji dachowych

Dotyczy to przede wszystkim pożarów budynków niewielkich, indywidualnych (FOT. 1), niemniej dosyć powszechnie występują również pożary dachów budynków wielorodzinnych (FOT. 2).

W przypadku pożarów hal magazynowych czy produkcyjnych pożar dachu stanowi zazwyczaj element większego pożaru hali.

Przyczyny pożarów dachów powiązane są z ich konstrukcją i materiałami, z których są wykonane, niemniej do najczęstszych przyczyn zewnętrznych należą:

• przeniesienie ognia z innego budynku,
• inicjacja pożaru na skutek wyładowania atmosferycznego,
• zaprószenie itp.

Wśród czynników wewnętrznych, a więc przedostawania się ognia na dach z wnętrza budynku, należy wyszczególnić: unoszenie, promieniowanie, a w przypadku dobrych przewodników - przewodzenie.

Wymagania prawne

Przepisy z zakresu budownictwa, w tym bezpieczeństwa pożarowego dachów szczegółowo opisane są Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury [1]. Do najistotniejszych należą:

• elementy budynku związane z konstrukcją dachu lub jego przekryciem, odpowiednio do ich klasy odporności pożarowej, powinny spełniać, z wyjątkami, co najmniej wymagania określone w TAB. 1 (§ 216),

• elementy wymienione w TAB. 1 powinny być nierozprzestrzeniające ognia, przy czym w wybranych przypadkach dopuszcza się, żeby elementy dachu były słabo rozprzestrzeniające ogień, np. konstrukcja dachu i jego przekrycie w budynku niskim, PM, o maksymalnym obciążeniu ogniowym 1000 MJ/m² (§ 216),
• przekrycie dachu budynku niższego, usytuowanego bliżej niż 8 m lub przyległego do ściany z otworami budynku wyższego, z wyjątkami, w pasie o szerokości 8 m od tej ściany powinno być nierozprzestrzeniające ognia oraz w pasie tym:
  • konstrukcja dachu powinna mieć klasę odporności ogniowej co najmniej R 30,
  • przekrycie dachu powinno mieć klasę odporności ogniowej co najmniej RE 30 (§ 218),
• przekrycie dachu o powierzchni większej niż 1000 m² powinno być nierozprzestrzeniające ognia, a palna izolacja cieplna przekrycia powinna być oddzielona od wnętrza budynku przegrodą o klasie odporności ogniowej nie niższej niż RE 15 (§ 219).

Ogólnie zagadnienia związane z bezpieczeństwem pożarowym dachów możemy podzielić na kwestie reakcji na ogień wraz z rozprzestrzenianiem ognia oraz odporność ogniową.

Wymagania szczegółowe z zakresu reakcji na ogień i rozprzestrzeniania ognia przez dachy

Występujące w przepisach ogólnych określenia, np. łatwo zapalne, nierozprzestrzeniające ogień, niekapiące, itp. znajdują swoje precyzyjne wyjaśnienie w normach, np. PN-EN 13501-1:2008 A1:2010 [2] (TAB. 2), PKN-CEN/TS 1187:2014-03 [3], Instrukcji ITB 401/2004: Przyporządkowanie określeniom występującym w przepisach techniczno-budowlanych klas reakcji na ogień według PN-EN [4] oraz zostały wyjaśnione w załączniku 3 do rozporządzenia [1], co zostało dodatkowo zapisane w § 208a, tegoż rozporządzenia: "Określeniom użytym w rozporządzeniu: niepalny, niezapalny, trudno zapalny, łatwo zapalny, niekapiący, samogasnący, intensywnie dymiący odpowiadają klasy reakcji na ogień zgodnie z załącznikiem nr 3 do rozporządzenia".

Specyfikacja techniczna PKN-CEN/TS 1187:2014-03 [3] przewiduje 4 typy badań oddziaływania ognia zewnętrznego na dachy, co odpowiada metodom wykorzystywanym do oceny w różnych krajach europejskich:

• Badanie 1 - z płonącymi żagwiami;
• Badanie 2 - z płonącymi żagwiami i wiatrem;
• Badanie 3 - z płonącymi żagwiami, wiatrem i dodatkowo promieniowaniem cieplnym;
• Badanie 4 - dwuetapowa metoda, łącząca w sobie badanie z płonącymi żagwiami, wiatrem i dodatkowo z promieniowaniem cieplnym.

W polskich przepisach [1] wymagane jest badanie według metody 1, stąd też występujące oznaczenie (t1). Metoda przewiduje w zależności od deklarowanego nachylenia dachu, dwa badawcze nachylenia połaci dachowej. Przy deklaracji nachylenia dachu do 20° próbkę badamy przy nachyleniu 15°, w przypadku przewidzianego nachylenia dachu powyżej 20° próbkę bada się pod nachyleniem 45°.

Próbki do badań (po 4 sztuki dla każdego nachylenia, RYS. 1-6) o wymiarach minimum 0,8 m (szerokość) i 1,8 m (długość) powinny być reprezentatywne we wszystkich szczegółach praktycznego zastosowania (z wyjątkiem podkładów standardowych, które dobiera się odpowiednio dla jak najszerszego zastosowania pokrycia, np. profilowana blacha, panele płyty wiórowej, płyta wapniowo-krzemianowa), z uwzględnieniem zarówno podkładów, jak i rodzaju oraz liczby warstw materiałów dachowych (łącznie z izolacjami, barierami paroszczelnymi itp.), a także połączeń między warstwami (przewiduje się kilka typów połączeń), przy czym krawędzie próbki nie mogą być zabezpieczone.

Źródłem ognia jest wełna z drewna miękkiego (sosna, jodła, świerk), o ustalonej wilgotności 8-12%, umieszczona w standardowym koszu drucianym o wymiarach 300×300×200 mm, w ilości 600±10 g, który podpala się z czterech stron w ciągu 10 sekund.

Badanie może być zakończone wcześniej, jeżeli:

• oczywisty sposób nie następuje pojawienie się ognia (płomienie, tlenie, dym),
• płomienie osiągnęły krawędź próbki,
• nastąpiła penetracja ognia,
• istnieje zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu lub możliwość uszkodzenia urządzeń.

Podczas badania obserwuje się przesuwanie frontu płomienia (jego podstawy), a w przypadku dachu płaskiego, o nachyleniu zero stopni, mierzy się promień rozprzestrzeniania ognia L, w [mm]. Dodatkowo rejestruje się czas, w którym płomień ustalony przesunie się w górę lub dół o 100, 300, 500 lub 700 mm, pojawią się symptomy palącego się materiału (np. płonące krople), nastąpi penetracja ognia, powstaną otwory (powyżej 25 mm2) lub pęknięcia (powyżej 2 mm), powstaną innego rodzaju zniszczenia wewnętrzne w każdej warstwie wewnątrz próbki.

Kryteria oceny

Nierozprzestrzeniającym ognia przekryciom dachów odpowiadają przekrycia:

• Klasy B_ROOF (t1) badane zgodnie ze specyfikacją techniczną, badanie 1 [3] (TAB. 3),
•  klasy B_ROOF, uznane za spełniające wymagania w zakresie odporności wyrobów na działanie ognia zewnętrznego, bez potrzeby przeprowadzenia badań, których wykazy zawarte są w decyzjach Komisji Europejskiej publikowanych w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej, TAB. 4.

Badania odporności ogniowej ­- informacje ogólne

Klasy odporności ogniowej przedstawione w TAB. 1 należy określić według normy PN-EN 13501-2 [5], a kryteria skuteczności działania odporności ogniowej takie jak nośność ogniowa R i szczelność ognia E sprawdza się badawczo. Przekrycia dachów wraz konstrukcją dachu, np. z kratownicową konstrukcją dachową, sprawdza się metodami podanymi w normie PN-EN 1365-2 [6], natomiast same płatwie lub różnego rodzaju belki będące konstrukcją dachu można sprawdzić według metod podanych w normie PN-EN 1365-3 [7]. Metody badań odporności ogniowej różnią się znacznie od metod z zakresu reakcji na ogień i rozprzestrzeniania ognia przez dachy.

Badania odporności ogniowej cechuje się m.in.:

1) ilość badań: kryteria odporności ogniowej można określić poprzez jedno badanie odporności ogniowej,

2) warunki geometryczne elementów: do badań wykorzystuje się elementy o powierzchni nagrzewania 3×4 m (szerokość×długość), a w szczególnych przypadkach o szerokości nie mniejszej niż 2 m. Belki według PN-EN 1365-3 [7] powinny mieć długość min. 4 m. Istotnym parametrem jest sposób podparcia na podporach oraz odpowiednio ukształtowane krawędzie swobodne w przypadku badań dachów,

3) warunki termiczne: elementy dachowe sprawdza się dla scenariusza pożarowego przy oddziaływaniu termicznym od spodu co odpowiada pożarowi wewnątrz budynku,

4) warunki obciążenia: elementy dachowe lub belki bada się razem z obciążeniem. W przypadku dachów można wyróżnić dwie strony oddziaływania:

a) od spodu dachu, obciążenia podwieszone - szczególnie istotne w rozwiązaniach z blachami konstrukcyjnymi,

b) obciążenia na powierzchni dachu jako symulacja obciążenie śniegiem, które jest pomijalne w przypadku rozwiązań o słabiej izolacyjności termicznej.

Niezależnie od typu dachu, dachy zawsze badamy według PN-EN 1365-2 [6]. Poniżej krótka charakterystyka i zachowanie się w badaniach odporności ogniowej wybranych konstrukcji dachowych.

Dachy płaski o kącie nachylenia do 15° - przekrycia dachu na konstrukcyjnej blasze trapezowe powszechnie stosowane w budynkach przemysłowych, magazynowych czy handlowo-usługowych. Typowa rozpiętość między podporami w tego typu przekryciach na obiektach to 4-6 m, a rozpiętość maksymalna zwykle nie przekracza 12,5 m.

Najczęściej stosowany układ warstw obejmuje w kolejności od góry:

• izolację przeciwwodną (hydroizolację), np. membranę PVC, papę dachową, blachę kryjącą,
• izolację cieplną (termoizolację), np. płyty z wełny mineralnej, płyty styropianowe, płyty z pianki poliuretanowej – warstwa od kilku do kilkunastu centymetrów,
• izolację paroprzepuszczalną (paroizolację), np. folię wykonaną z polietylenu (PE),
• blachę trapezową najczęściej ze stali o wysokości trapezu najczęściej od 50 mm do 160 mm i grubości blachy od 0,6 mm do 1,5 mm.

Uzyskanie klasy odporności ogniowej RE 30 lub nawet RE 15 nie jest tak proste w tego typu dachach. Niezabezpieczona ogniochronnie blacha trapezowa w temperaturze pożaru standardowego (738°C w 15 min i 840°C w 30 min badania) traci stateczność w sposób bardzo gwałtowny, czego przykładem jest wykres ugięcia blachy przedstawiony na RYS. 7.

Nagłe ugięcie blachy w większości przypadku badań jednak nie przyczynia się do utraty nośności ogniowej R. Powodem jest dopuszczalna duża wartości ugięcia, którą określa się na podstawie rozpiętości i wysokości profilu blachy. Dla profilu o wysokości 85 mm i rozpiętości 4,0 m dopuszczalne ugięcie dachu to 470 mm. Duże nagłe ugięcie ma natomiast wpływa na zachowanie się warstw izolacyjnych na powierzchni, które mogą prowadzić do utraty szczelności ogniowej E. Tego typu dachy najczęściej, jako pierwsze tracą szczelność ogniową, co w konsekwencji jest powodem zakończenia badania.

Inaczej w badaniach odporności ogniowej zachowują się dachy płaskie o podłożu drewnianym. W przypadku, gdy konstrukcja dachu nie jest osłonięta ogniochronnie, dobór przekroju elementów drewnianych jest kluczowy i będzie decydował o klasie odporności ogniowej dachu. Warstwy na powierzchni dachu będą odgrywać drugorzędne znaczenia. Dachy drewniane z odpowiednio dobranymi przekrojami mogą bez problemu uzyskują klasy RE 15 lub RE 30.

Podobnie jest w przypadku podłoża betonowego - wpływ warstw na odporność ogniową jest marginalny. Będzie on miał natomiast znaczenie, w przypadku elementów o małej grubości np. dachy z płyt korytkowych. Dachy o konstrukcji betonowej potrafią osiągać znacznie dłuższy czas klasyfikacyjny niż 30 minut.

Dachy z płyt warstwowych, które składające się z okładzin metalowych umieszczonych po dwóch stronach trwale zespolonego z nimi rdzenia. Rdzeń pełniący funkcję izolacyjną ma postać wełny mineralnej, poliuretanu, lub styropianu. Płyty warstwowe na budowę dostarczane są jako gotowe elementy oraz skręcane między sobą. W tego typu dachach zazwyczaj nie jest stosowane obciążenie podwieszone, z racji dużo mniejszych nośności w porównaniu z dachami płaskimi na blachach trapezowych. Na odporność ogniową w dużej mierze ma wpływ sposób łączenia płyt, czyli rozwiązania zamka między płytami. Typowy zamek przedstawiono na RYS. 8.

Dachy skośne - tradycyjne to dachy o dużym spadku (> 30°) i szkielecie drewnianym (niekiedy stalowym), od spodu zabezpieczone płytami, np. gipsowo-kartonowymi lub okładzinami drewnopochodnymi. Do konstrukcji drewnianej płyty mocuje się bezpośrednio lub poprzez systemy wieszaków. Między krokwiami stosuje się izolację cieplną najczęściej z wełny szklanej, choć coraz częściej w obiektach stosuje się natryskowe pianki poliuretanowe. Do badań pokrycie dachu często zastępuje się obciążnikami symulacyjnymi ciężar tych warstw.

Na odporność ogniową mają wpływ:

1) system zabudowy/poszycie od strony spodniej:

a) wpływa bezpośrednio na kryteria szczelności E i izolacyjności ogniowej I,

b) wpływa pośrednio na kryterium nośności ogniowej R - opóźnia lub nie dopuszcza do zwęglania konstrukcji drewnianej,

2) konstrukcja nośna dachu: parametry przekroju, materiał, sposób łączenia i mocowania:

a) wpływa na nośność ogniową R,

b) możliwość weryfikacji nośności metodami obliczeniowymi (PN-EN 1995-1-2 [9]),

3) warstwy wykończeniowe: pokrycie, deskowanie - istotne w przypadku braku systemu zabudowy od dołu (poddasza).

Dachy przeszklone to konstrukcje z reguły krokwiowo-płatwiowej. Elementami nośnymi są zazwyczaj aluminiowe lub stalowe krokwie i płatwie. Wypełnienie między elementami nośnymi stanowią panele przeszklone (przezierne). Na odporność ogniową dachu mają wpływ zarówno belki podporowe, jak również przeszklenia. Obecnie jest trend badania paneli przeszklonych o jak największej powierzchni, która w praktyce ogranicza się do 3-3,5 m². W badaniach stosowane są typy przeszkleń: szyby EI (izolacyjne) lub szyby EW. W przypadku dachów z szybami EI wykonuje się pomiary przyrostów temperatury na powierzchni nienagrzewanej oraz stosuje się obciążenie zastępcze od śniegu, natomiast w przypadku szyb typu EW nie stosuje się pomiaru temperatury oraz obciążenia zastępczego od śniegu. Wykonywane są natomiast pomiary promieniowania cieplnego.

Kryteria skuteczności działania w zakresie odporności ogniowej dachów na podstawie wyników badań

Odporność ogniową dachów na podstawie wyników badań można zdefiniować następującymi kryteriami skuteczności działania:

• nośność ogniowa R,
• szczelność ogniowa E,
• izolacyjność ogniowa I - niewymagana przepisami
• promieniowanie W - niewymagane przepisami.

Kryteria te weryfikuje się podczas badania ogniowego tylko przy oddziaływaniu ognia do dołu. Najistotniejszym kryterium z uwagi na odporność ogniową dachów jest nośność ogniowa R, co wynika z normy PN-EN 1363-1:2012 [10]: "kryterium nośności ogniowej przestanie być spełniane, kryteria właściwości użytkowych, izolacyjność ogniową i szczelność ogniową należy automatycznie uznać za niespełnione".

W przypadku dachów (przekryć dachowych), utratę nośności ogniowej uznaje się za osiągniętą, gdy oba następujące parametry zostały przekroczone [5]:

• ugięcie: D = L²/(400 ∙ d) [mm]
• szybkość narastania ugięcia: dD/dt = L²/(9000 ∙ d) [mm/min]

gdzie:

L - rozpiętość w osiach podpór, w [mm],

d - odległość od skrajnego włókna projektowej strefy ściskanej przekroju konstrukcyjnego w temperaturze normalnej do skrajnego włókna projektowej strefy rozciąganej w temperaturze normalnej, w [mm].

Drugim istotnym kryterium skuteczności działania z uwagi na warunki pożarowe jest kryterium szczelności ogniowej E określane również jako funkcja oddzielająca. Szczelność ogniowa to czas, wyrażony w pełnych minutach, przez jaki element w trakcie badania utrzymuje swoje funkcje oddzielające bez:

• spowodowania zapalenia się tamponu bawełnianego (tampon nie ulegnie zapaleniu przez okres 30 sekund od momentu przyłożenia go do elementu próbnego),
• dopuszczenia do penetracji szczelinomierzem (o średnicy 25 mm lub 6 mm na długości 15 cm), który przykładany jest do (powstałej w wyniku działania ognia) szczeliny,
• utrzymywania się płomienia (powyżej 10 s).

Polskie przepisy nie wymagają kryterium izolacyjności ogniowej I dla dachów (przekryć dachowych), ale z racji oczekiwań wielu inwestorów w większości badań jest ono weryfikowane. Kryterium oceniane jest na podstawie przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni elementu próbnego (przyrost temperatury średniej ograniczony jest do 140°C powyżej początkowej średniej temperatury, natomiast przyrost temperatury maksymalnej w dowolnym punkcie badanego elementu ograniczony jest do 180°C powyżej temperatury początkowej). Punkty pomiaru temperatury określone są w normach badawczych.

W przypadku dachów przeszklonych czujniki do pomiaru przyrostu temperatur rozmieszczane są zarówno na elementach profili jak i paneli przeszklonych.

W przypadku kryterium promieniowania W promieniowanie cieplne nie może przekroczyć 15 kW/m² a sam pomiar wykonuje się 1 m od powierzchni dachu. Paradoksalnie norma badawcza PN-EN 1365-2:2014 [6] określa zakres stosowania wyników badań z pomiarów promieniowania, natomiast norma klasyfikacyjna PN-EN 13501-2:2016-07 [5] nie definiuje klas z kryterium promieniowania W.

Klasyfikacja dachów na podstawie badań odporności ogniowej

Norma PN-EN 13501-2:2016-07 [5], przewiduje następujące klasy odporności ogniowej:

• w przypadku dachów niepełniących funkcji oddzielającej w przypadku pożaru: R 15, R 20, R 30, R 45, R 60, R 90, R 120, R 180, R 240 i R 360,
• w przypadku dachów pełniących funkcję oddzielającą w przypadku pożaru: RE 20, RE 30, RE 60, RE 90, RE 120, RE 180, RE 240, REI 15, REI 20, REI 30, REI 45, REI 60, REI 90, REI 120, REI 180, REI 240.

Ważnym aspektem w klasyfikowaniu dachów jest zakres zastosowania wyników, a informacje o klasie odporności ogniowej bez wiedzy na temat zakresu stosowania jest niekompletna. Na szczególną uwagę należy zwrócić na:

• przewidziany zakres warunków obciążenia: maksymalne momenty zginające i siły ścinające,
• wysokości pustki powietrznej lub grubości materiału izolacyjnego,
• sposób mocowania dolnych okładzin: rozstaw łączników, typ łączników, np. czy są to zszywki czy wkręty
• rozstaw belek nośnych.

Więcej informacji o kwestiach związanych z bezpieczeństwem pożarowym dachów można znaleźć w artykułach [11-17].

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 poz. 690) z późniejszymi zmianami (DzU z 2015 r. poz. 1422 i z 2017 r. poz. 2285).
2. PN-EN 13501-1:2008 A1:2010, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień".
3. PKN-CEN/TS 1187:2014-03, "Metody badań oddziaływania ognia zewnętrznego na dachy".
4. Instrukcja ITB 401/2004, "Przyporządkowanie określeniom występującym w przepisach techniczno-budowlanych klas reakcji na ogień według PN-EN".
5. PN-EN 13501-2:2016-07, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnych".
6. PN-EN 1365-2:2014, "Badania odporności ogniowej elementów nośnych. Część 2: Stropy i dachy".
7. PN-EN 1365-3:2002, "Badania odporności ogniowej. Część 3: Belki".
8. PN-EN 14509:2013, "Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową". Uwaga: najprawdopodobniej w 2019 r. wprowadzone zostanie nowe wydanie normy.
9. PN-EN 1995-1-2:2008 Eurokod 5, "Projektowanie konstrukcji drewnianych. Część 1-2: Postanowienia ogólne. Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe".
10. PN-EN 1363-1:2012, "Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne".
11. P. Roszkowski, P. Sulik, "Fire resistance of roofs with loadbearing wooden beams and fire protective claddings of magnesium oxide boards", "Annals of Warsaw University of Life Sciences, SGGW Forestry and Wood Technology" 87/2014, s. 186-190.
12. P. Sulik, P. Roszkowski, "Bezpieczeństwo pożarowe dachów: Odporność ogniowa dachów cz. 2", "Inżynier Budownictwa" 5/2015, s. 90-97.
13. P. Roszkowski, B. Sędłak, "Metodyka badań odporności ogniowej dachów przeszklonych", "Świat Szkła" 6/2011, s. 50-52.
14. P. Roszkowski, B. Sędłak, "Badania odporności ogniowej poziomych elementów przeszklonych", "Świat Szkła" 12/2014, s. 46-51.
15. P. Sulik, P. Roszkowski, "Bezpieczeństwo pożarowe dachów: Reakcja na ogień i rozprzestrzenianie ognia przez dachy cz.1", "Inżynier Budownictwa" 4/2015, s. 104-109.
16. P. Roszkowski, P. Sulik, "Dachy z elementami przeszklonymi – zagadnienia związane z bezpieczeństwem pożarowym", "Inżynier Budownictwa" 12/2016, s. 44-48.
17. M. Woszczyk, P. Sulik, "Bezpieczeństwo pożarowe dachów zielonych", "IZOLACJE" 9/2015, s. 70-72, 74.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!