Bezpieczeństwo pożarowe budynków o konstrukcji drewnianej

Poszukiwanie rozwiązań spełniających te wymogi wymuszają między innymi:

• cele klimatyczne stawiane przed poszczególnymi państwami,
• potrzeba przedefiniowania gospodarki z tej opartej na surowcach kopalnych na rzecz bioekonomii, z odnawialnymi zasobami surowcowymi,
• gospodarka bezodpadowa,
• uwzględnianie śladu węglowego,
• wiele różnych wskaźników, którymi obwarowaliśmy nasze wymagania stawiane budynkom, np. maksymalne zapotrzebowanie na nieodwracalną energię pierwotną EP_max czy izolacyjność cieplna przegród i związane z nią współczynniki przenikania ciepła UC_(max).

Uwzględniając wszystkie wymienione powyżej czynniki, w sposób naturalny zwrócono się ku drewnu, a więc materiałowi, który towarzyszy ludzkości od samego początku i którego wykorzystanie w budownictwie było stopniowo, administracyjnie, ograniczane dopiero po tragicznych pożarach miast, np. Londynu w 1666 r., Hamburga w 1842 r., Krakowa w 1850 r. czy Chicago w 1871 r.

Właśnie zagrożenie pożarowe, a konkretnie palność drewna, było podstawowym czynnikiem, który na dziesięciolecia zahamował rozwój budownictwa drewnianego w Polsce. Związane to było z ustanowionymi po II wojnie światowej przepisami, które w początkowej formie odnosiły się do palności, a w okresie późniejszym również do rozprzestrzeniania ognia.

Poznaj też: Ogólne zasady dotyczące badań odporności ogniowej elementów drewnianych

Warto się w tym miejscu zastanowić, czy wprowadzone ograniczenia, na które nałożyły się również inne czynniki, m.in. jakość wykonania czy trwałość, nie doprowadziły do sytuacji skrajnej, zdecydowanie niekorzystnie wyróżniającej Polskę na tle innych państw, w tym państw z naszego rejonu geograficznego, gdzie warunki klimatyczne i kulturowe są porównywalne. Przykładem może być Szwecja, gdzie przy lesistości 74% udział budownictwa drewnianego wynosi 80% (FOT. 1–2).

Tak wysoki udział budownictwa drewnianego przy lesistości sięgającej niemalże ¾ powierzchni kraju wydaje się czymś naturalnym, bo dostęp do surowca wygląda na niemalże nieograniczony. Podobne statystyki notuje się również w Kanadzie, gdzie ilość lasów powoduje, że nie ma ograniczeń w dostępie do drewna konstrukcyjnego. W samej tylko prowincji Quebec w 2016 r., wśród budynków mieszkalnych o wysokości do czterech kondygnacji włącznie, aż 93% stanowiły budynki o konstrukcji drewnianej (FOT. 3–4).

Innym przykładem jest Austria, gdzie tradycje budowania z drewna są wielowiekowe. Przy lesistości nieco poniżej 50% udział budownictwa drewnianego sięga tam 33% (FOT. 5–6).

Szukając analogii do sytuacji w Polsce, warto rozważyć naszych zachodnich sąsiadów, którzy mają lesistość na bardzo podobnym poziomie co Polska, czyli nieco ponad 32% wobec ponad 30% w Polsce, przy czym udział budownictwa drewnianego w Niemczech sięga 30% (FOT. 7–8), podczas gdy w Polsce wynosi ok. 2% (FOT. 9–10), co stanowi prawdziwą przepaść.

Mając powyższe na uwadze, w 2018 r. MŚ zorganizowało spotkanie robocze poświęcone wsparciu rozwoju budownictwa drewnianego w Polsce. W spotkaniu uczestniczyło wiele zainteresowanych podmiotów, w tym Ministerstwo Inwestycji i Rozwoju (MIiR), Dyrekcja Generalna Lasów Państwowych (DGLP), Komenda Główna Państwowej Straży Pożarnej (KGPSP) oraz przedstawiciele instytutów naukowo-badawczych, np. Instytut Techniki Budowlanej (ITB), i stowarzyszeń, np. Stowarzyszenie Centrum Drewna w Czarnej Wodzie (CDCW).

W wyniku przeprowadzonej dyskusji zaledwie siedem dni później MIiR skierowało do KGPSP pismo w sprawie zajęcia stanowiska w sprawie możliwości uelastycznienia przepisów techniczno-budowlanych w zakresie wymagań dotyczących stopnia palności (klasy reakcji na ogień) wyrobów budowlanych oraz stopnia rozprzestrzeniania ognia przez elementy wykonane z drewna w ramach działań podejmowanych na rzecz rozwoju budownictwa drewnianego w Polsce.

W odpowiedzi KGPSP potwierdziła gotowość przeanalizowania problemu oraz przedstawiła argumenty, przy czym zwróciła szczególną uwagę na istotne braki w sferze badawczej w omawianym zakresie, które stanowią przeszkodzę w szerszej realizacji nowoczesnego budownictwa drewnianego w Polsce.

Zauważono, że wszelkie zmiany powinny mieć miejsce w granicach, których zakres wyznaczony zostanie na podstawie rzetelnych danych empirycznych. Ponadto w kwestii rozprzestrzeniania ognia w ww. piśmie KGPSP literalnie odwołała się do kompetencji ITB:

„[…] wyraża się pogląd, że właściwym do zajęcia stanowiska merytorycznego w tym zakresie jest Instytut Techniki Budowlanej, który ma duże doświadczenie badawcze w przedmiotowym obszarze i którego dokument nr 401/2004 był podstawą do przyporządkowania określonym stopniom rozprzestrzeniania ognia klas reakcji na ogień”.

Odpowiedzią na takie przedstawienie problemu było rozpoczęcie w ITB pracy badawczej NZP-124, która została zakończona w 2020 r. Praca ta składała się z kilku etapów, przy czym w 2020 r. przeprowadzono badanie w pełnej skali dwukondygnacyjnego budynku o szkieletowej konstrukcji drewnianej, którego wybrane rezultaty zostały omówione poniżej.

Wybór technologii szkieletowej, tzw. lekkiej, nie był przypadkowy i wynikał z możliwości i doświadczeń polskiego rynku budowlanego. Alternatywą była technologia masywna, oparta na standardzie CLT (cross laminated timber), jednakże z uwagi na brak w 2020 r. wytwórni takich elementów w Polsce technologię tę, dostosowaną do polskich możliwości surowcowych, wykorzystującą lokalne i dostępne gatunki drzew, zdecydowano się ocenić w późniejszym okresie, co w chwili obecnej jest realizowane w pracy badawczej ITB nr NZP-138.

Projekt badawczy – eksperyment pożarowy budynku w skali rzeczywistej

Jak wspomniano powyżej, istotą projektu było dostarczenie eksperymentalnie potwierdzonych danych, które można by wykorzystać przy wprowadzaniu zmian legislacyjnych ułatwiających szersze wykorzystanie drewna w budownictwie. Bariery prawne stawiane konstrukcjom drewnianym, związane m.in. z palnością i rozprzestrzenianiem ognia, a wynikające z przepisów [2], są powszechnie znane, dlatego też projekt od samego początku próbował odpowiedzieć na te kwestie, które zostały szczegółowo omówione m.in. w pracy [3]. Priorytetem była współpraca z KGPSP, która jako kluczowa w omawianym zakresie jednostka administracji państwowej opiniuje wszelkie zmiany legislacyjne związane z bezpieczeństwem pożarowym i ochroną przeciwpożarową.

Projekt badawczy składał się z trzech zasadniczych etapów, przy czym jego zwieńczeniem był eksperyment pożarowy w skali rzeczywistej dwukondygnacyjnego budynku o szkieletowej konstrukcji drewnianej, zrealizowany w etapie III.

W etapie I skoncentrowano się na wyborze dostępnego surowca z uwzględnieniem istniejących w Polsce krain geograficzno-przyrodniczych oraz na wykonaniu badań wstępnych uwzględniających sposób obróbki i wykończenia powierzchni drewna.

Etap II, zgodnie z metodami normowymi, obejmował typowe badania bardzo różnych układów z zastosowaniem różnych gęstości niepalnych izolacji termicznych, różnych typów okładzin oraz typowych osłabień przegrody, np. otworów.

Model badawczy oraz scenariusze badawcze były uzgodnione z KGPSP. W wyniku tych ustaleń przygotowano budynek w części dwukondygnacyjny, z normowym obciążeniem stropu.

W celu oceny możliwości dotarcia ratowników do miejsca zdarzenia wybudowano dłuższy korytarz, co pozwoliło na ocenę rozwoju zadymienia i możliwości prowadzenia akcji ratunkowej (RYS. 1–2).

Model badawczy został wyposażony we wszelkie rury, kable, gniazdka i kanały wentylacyjne, jakie spotyka się w typowym budynku mieszkalnym, z uwagi na możliwość rozprzestrzeniania się pożaru przez te elementy. Dodatkowo przewidziano podczas badania powstanie w lokalu typowych uszkodzeń spotykanych w budownictwie mieszkaniowym, np. nieciągłości okładzin wynikających z otworów wykonanych przez lokatorów itp. Łączna powierzchnia budynku wynosiła 110,5 m².

W uzgodnieniu z KGPSP przeprowadzono trzy scenariusze pożarowe dla pożarów wewnętrznych:

• Symulacja pożaru w małym pomieszczeniu, przy założeniu, że pożar ten sam ulegnie zagaszeniu. P1 – pożar kanapy, gęstość obciążenia ogniowego 250 MJ/m².
• Symulacja pożaru o większej mocy w małym pomieszczeniu – ocena zachowania ścian konstrukcyjnych i osłonowych oraz dachu. Pożar kuchni, gęstość obciążenia ogniowego 500 MJ/m².
• Symulacja pożaru o dużej mocy w największym pomieszczeniu – ocena zachowania stropów i ścian, ocena możliwości prowadzenia akcji ratowniczej. Pożar parametryczny wg EC1, gęstość obciążenia ogniowego 1000 MJ/m², obciążenie stropu 2 kN/m².

Ponadto przeprowadzono trzy scenariusze pożarowe dla ognia zewnętrznego, podczas których oceniono trzy różne typy elewacji: ETICS (Z1) i dwie odmiany elewacji wentylowanej (Z2 i Z3).

Prefabrykację modelu badawczego (FOT. 11–19) wykonano w IV kwartale 2019 r., montaż na specjalnie przygotowanym placu na terenie Ośrodka Szkoleniowego PSP w Pionkach wykonano w grudniu 2019 r., natomiast prace wykończeniowe, w tym montaż elewacji, z uwagi na Covid-19 zakończono w lipcu 2020 r. (FOT. 20–25).

W celu rejestracji wyników badań, przeprowadzonych w dniach 26–28 VIII 2020 r., wewnątrz pomieszczeń zainstalowano 10 specjalnych kamer o podwyższonej odporności na działanie temperatur pożarowych oraz termopary do pomiaru temperatury w czasie rzeczywistym wewnątrz budynku (44 miejsca pomiarowe) i na zewnątrz (24 miejsca pomiarowe). Dodatkowo z zewnątrz cały eksperyment był filmowany przez trzy kamery, w tym kamerę zainstalowaną na dronie. Rozmieszczenie punktów pomiarowych wewnątrz pomieszczeń przedstawiono na RYS. 3–4.

Jako paliwo wykorzystano sezonowane do stałej wilgotności drewno sosnowe, ułożone w ażurowe stosy w taki sposób, aby pożar był kontrolowany przede wszystkim przez wentylację lub paliwo, a w jak najmniejszym stopniu przez brak dostępu do paliwa.

Literatura światowa wskazuje, że dla typowych budynków mieszkalnych, hoteli, biur, szkół czy szpitali należy założyć maksymalną szybkość wydzielania ciepła HRR na poziomie 5000 kW, natomiast dla sklepów czy centrów handlowych na poziomie 10  000 kW.

W celu odwzorowania maksymalnie niekorzystnych warunków w prowadzonych badaniach, a więc weryfikacji zachowania drewnianej konstrukcji budynku w ekstremalnych warunkach pożarowych, znacznie przekraczano moc pożaru powyżej 5 MW i odpowiednio w scenariuszu pożarowym P1 przyjęto ją na poziomie 7,8 MW, natomiast w scenariuszach P2 i P3 przekraczano 10 MW. Ułożenie paliwa oraz obciążenie stropu przedstawiono na FOT. 26–29.

Jak wspomniano powyżej, przewidziano sześć scenariuszy pożarowych dla tego samego budynku testowego.

W kolejności chronologicznej przeprowadzono:

• 26 VIII 2020 r., godz. 10.00 – eksperyment P1, godz. 12.00 – eksperyment P2, godz. 15.00 – eksperyment Z2;
• 27 VIII 2020 r., godz. 12.00 – eksperyment P3, godz. 14.00 – eksperyment Z3, godz. 16.00 – eksperyment Z1.

Eksperymenty obserwowali liczni zaproszeni eksperci i funkcjonariusze PSP, łącznie ponad 200 osób, z komendantem głównym PSP oraz dyrektorem Biura Rozpoznawania Zagrożeń KG PSP, a więc osobami kluczowymi z merytorycznego punktu widzenia w kwestii przepisów przeciwpożarowych.

Wybrane wyniki rozkładu temperatur w czasie dla scenariusza pożarowego P3 przedstawiono na RYS. 5–7.

Na RYS. 5 przedstawiono rozkład temperatur w czasie dla punktów położonych najbliżej źródła ognia (TE 9–11). Wyraźnie widać, że temperatura bardzo szybko osiągnęła poziom krzywej standardowej i lokalnie ją przekroczyła, a więc osiągnięto warunki bardziej niekorzystne niż podczas badań na normowych piecach badawczych w laboratorium, do których odwołuje się klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej przytoczona w rozporządzeniu [2]. Oznacza to, że mieliśmy do czynienia z w pełni rozwiniętym pożarem wewnątrz pomieszczenia, gdzie nastąpiło pełne rozgorzenie. Kolorem niebieskim zaznaczono zmiany średniej temperatury panującej w pomieszczeniu o powierzchni 33,44 m², przy czym należy zauważyć, że na średnią składały się również pomiary z termoelementów znacznie oddalonych od źródła ognia oraz otworów okiennych, np. T16 i TE 17.

RYS. 6 przedstawia przede wszystkim pomiary z termoelementów ulokowanych w pomieszczeniu sąsiednim o powierzchni 7,02 m², oddzielonym od pomieszczenia, w którym panował pożar, szkieletową ścianą działową oraz drzwiami bez odporności ogniowej. Symptomatyczne jest to, że nawet ściana o szkielecie drewnianym z wypełnieniem szklaną wełną mineralną, obita z każdej strony płytą gipsowo-kartonową odmiany A, 12,5 mm, w tak ekstremalnych warunkach pozwoliła przez ponad 20 min. zachować warunki umożliwiające bezpieczną ewakuację z pomieszczenia.

Potwierdzają to również wykresy z RYS. 7, gdzie przedstawiono rozkłady temperatur w czasie dokonane m.in. na korytarzu o powierzchni 14,09 m² oraz w pomieszczeniu na pierwszym piętrze (o powierzchni 20,2 m²) ulokowanym bezpośrednio nad źródłem ognia.

O ile średni pomiar temperatury na korytarzu oddzielonym drzwiami o odporności ogniowej EI230 od pomieszczenia, w którym panował w pełni rozwinięty pożar, sukcesywnie, bardzo powoli rósł, umożliwiając jednak przez cały czas trwania eksperymentu bezpieczną ewakuację korytarzem z innych pomieszczeń (ciemnoniebieska linia), to w przypadku pomiarów temperatury w pomieszczeniu na pierwszym piętrze nie zaobserwowano żadnych zmian temperatury – ani na podłodze TE 43, ani na suficie TE 44. Oznacza to, że obciążone pomieszczenie na pierwszym piętrze, oddzielone stropem o drewnianej belkowej konstrukcji od pomieszczenia ogarniętego pożarem na parterze, przez cały czas trwania pożaru było pomieszczeniem bezpiecznym. Wybrane zdjęcia z całego eksperymentu przedstawiono na FOT. 30–34.

Kluczowe pytanie, na które należy odpowiedzieć, brzmi: jak zachował się szkieletowy budynek o konstrukcji drewnianej poddany trzem w pełni rozwiniętym pożarom wewnętrznym i trzem pożarom zewnętrznym w ciągu dwóch dni?

Tego typu oddziaływanie ognia należy uznać za ekstremalne i raczej bardzo mało prawdopodobne. Prawdopodobieństwo wystąpienia znaczącego pożaru w budynku jest niewielkie i można je porównać do prawdopodobieństwa wystąpienia katastrofy budowlanej.

Jeżeli już mamy do czynienia z pożarem w budynku, to statystycznie najczęstszą sytuacją jest jeden poważny pożar w cyklu życia budynku, a tymczasem w budynku testowym mieliśmy do czynienia z sześcioma pożarami, po trzy w ciągu każdego z dwóch dni testowych.

Najprościej odpowiedzieć na powyższe pytanie tak: budynek zachował się całkowicie bezpiecznie, ale to nie pokazuje w pełni możliwości tej technologii, znacząco różniącej się od archiwalnych budynków wykonywanych w podobnej technologii.

Najlepszym podsumowaniem eksperymentu było coraz większe zdziwienie malujące się na twarzach funkcjonariuszy PSP obserwujących eksperyment, którzy z niedowierzaniem dyskutowali, że z konstrukcją budynku nic się nie dzieje, że poza buchającymi płomieniami, dymem i wysoką temperaturą nie było żadnych symptomów pożaru, degradacji konstrukcji, do jakiej byli przyzwyczajeni podczas akcji gaśniczych w typowych, budowanych dotychczas domach o konstrukcji drewnianej. Nic nie pękało, nic się ponadnormatywnie nie deformowało, konstrukcja budynku prawie nie przyczyniała się do rozwoju pożaru, a przede wszystkim budynek w wykonanej bryle, co do podstawowych wymiarów, przez cały czas eksperymentu stał nienaruszony.

Potwierdzają to oględziny (tzw. sekcja) wykonane po zakończeniu eksperymentu. Wyraźnie widać, że pokazane na FOT. 35–38 specjalnie odkryte w tym celu miejsca w konstrukcji nie uległy degradacji, że folia paroizolacyjna, zaledwie osłonięta dwoma okładzinami 2×12,5 mm, w większości przypadków nie uległa nawet stopieniu, a drewniana konstrukcja nośna, poza wybranymi miejscami, w większości nawet nie uległa zwęgleniu.

Podsumowanie

Eksperyment pożarowy budynku o konstrukcji drewnianej w rzeczywistej skali wykazał, że współczesne budownictwo o drewnianej, szkieletowej konstrukcji jest w pełni bezpiecznym pożarowo rozwiązaniem, konkurencyjnym w tym zakresie wobec dotychczas znanych technologii, a uwzględniając pozostałe aspekty, o których wspominano we wprowadzeniu, dysponuje przewagami niedostępnymi dla innych technologii.

Żeby poziom bezpieczeństwa pożarowego budynków wykonanych w omawianej technologii pozostał na niezmiennym, wysokim poziomie, zaleca się przy projektowaniu i wykonywaniu tego typu obiektów uwzględniać poniższe spostrzeżenia, wynikające z doświadczeń uzyskanych przez autora przy realizacji pracy [4]:

• O bezpieczeństwie pożarowym budynków o szkielecie drewnianym decydują przede wszystkim niepalne okładziny, niepalne izolacje termiczne, sposób zachowania drewna w ogniu (sztywność elementu) oraz prawidłowy układ przegrody.
• Bezpieczeństwo pożarowe spełnione jest niejako przy okazji wykonania przegród w odpowiednim standardzie akustycznym i termicznym.
• Z uwagi na odporność ogniową, a także parametry akustyczne, z wyłączeniem ścianek działowych, zaleca się wykonywanie przegród w podwójnym opłytowaniu na bazie niepalnych okładzin o podwyższonej gęstości i odporności na działanie ognia. Kluczowym elementem jest sposób mocowania okładzin do szkieletu, który powinien wykorzystywać łączniki mechaniczne, odpowiednio zakotwione i rozmieszczone zgodnie z wytycznymi producenta płyt.
• Przegrody ścienne i stropowe wykonane w technologii szkieletu drewnianego, w przypadku obicia z każdej strony co najmniej pojedynczą okładziną gipsowo-kartonową typu A o grubości 12,5 mm, w wykonaniu dokładnym, zapewniają nierozprzestrzenianie ognia przy działaniu ognia od wewnątrz, co oznacza, że takie rozwiązanie jest zgodne z wymaganiami [2].
• Bardzo istotną rolę odgrywa szczelność budynku oraz poszczególnych pomieszczeń, która powoduje, że budynek samodzielnie jest w stanie kontrolować pożar i ograniczać jego skutki.
• Otwory na puszki pod instalacje elektryczne, przejścia instalacyjne itp. powinny być wykonane w klasie odporności ogniowej przegrody.
• Zaleca się stosować autonomiczne domowe czujki pożarowe jako najtańszy i najbardziej skuteczny spośród powszechnie dostępnych systemów wykrywania pożaru w pomieszczeniach.
• Zaleca się stosowanie dymoszczelnych drzwi o odporności ogniowej w przypadku drzwi wejściowych do mieszkania; drzwi akustyczne, termiczne i antywłamaniowe zazwyczaj już są, więc dodatkowa funkcja ogniowa nie wiąże się ze znacznymi kosztami.
• Zaleca się ograniczenie stosowania otwartego ognia, a więc o ile jest to możliwe ograniczenie występowania gazu w urządzeniach służących do gotowania czy indywidualnego podgrzewania wody (otwartych komór spalania).
• Szkieletowe budownictwo drewniane jest bardzo wrażliwe na jakość wykonania, dlatego rekomenduje się przemysłowy sposób produkcji przegród/budynków, niwelujący błąd ludzki: off-site TAK, on-site NIE.

Zdaniem autora pozytywne wyniki eksperymentu pozwalają na nowelizację przepisów budowlanych w zakresie szerszego wykorzystania drewna w budownictwie. Z uwagi na złożony i czasochłonny proces nowelizacji rozporządzenia [2] może to zająć kilka lat, dlatego w drugiej części artykułu zostanie przedstawiony pomysł, jak przy obecnym stanie prawnym obejść bariery prawne, umożliwiając szersze wykorzystanie drewna w wielorodzinnych budynkach mieszkalnych oraz wybranych budynkach użyteczności publicznej.

Literatura

1. J. Thorsell, „Växjö – the first Modern Wooden City in Europe. With sustainability as a foundation for construction and buildings”, Woodrise, Canada, Quebec City 2019.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2015 r., poz. 1422 i DzU z 2017 r., poz. 2285).
3. P. Sulik, „Bariery prawne wykorzystania drewna konstrukcyjnego w budownictwie”, „Materiały Budowlane” 12/2018, s. 90–92.
4. P. Sulik, „Rozprzestrzenianie ognia przez konstrukcyjne elementy wykonane z sosnowego drewna litego NZP-124/2020”, praca badawcza ITB, sprawozdanie końcowe, 2020.