Miejsca krytyczne z uwagi na izolacyjność ogniową przeszklonych ścian bezszprosowych |
Data dodania: 28.11.21 |
Artykuł zawiera analizę głównych aspektów badań i oceny przeszklonych ścian bezszprosowych o deklarowanej odporności ogniowej. W artykule tym podjęto – na podstawie badań odporności ogniowej przeprowadzonych przez Zakład Badań Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej – próbę określenia j najbardziej wrażliwych elementów przegród bezszprosowych z uwagi na przyrost temperatury maksymalnej w ostatnich latach. Rys. 1. Krzywe nagrzewania (kolorem czerwonym oznaczona jest krzywa standardowa, a kolorem niebieskim krzywa zewnętrzna) [2], [23]
W pracy przeanalizowano wyniki przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni 15 ścian bezszprosowych, które uzyskały klasę odporności ogniowej nie mniejszą niż EI 15.
Przeszklone ściany bezszprosowe stanowią jeden z wielu rodzajów przegród wewnętrznych stosowanych w nowoczesnym budownictwie.
Ściany działowe wydzielające pomieszczenia w budynkach o specjalnym przeznaczeniu (np. w hotelach, szpitalach, szkołach jako nienośne elementy, powinny być (zgodnie z polskimi przepisami budowlanymi [1], jak również przepisami wielu innych krajów Unii Europejskiej) zaprojektowane i wykonane w sposób zapewniający w razie pożaru ograniczenie rozprzestrzenianie się ognia i dymu w budynku, umożliwienie ewakuacji użytkowników oraz zapewnienie bezpieczeństwa ekipom ratowniczym [2], [3].
Rys. 2. Nienagrzewana powierzchnia przeszklonych ścian bezszprosowych w trakcie badania w zakresie odporności ogniowej
Dlatego też ściany działowe wykonane w obiektach tego typu powinny spełniać wymagania dotyczące odporności ogniowej. Wymagania w zakresie odporności ogniowej wobec ścian działowych określane są poprzez wyznaczenie minimalnych klas odporności ogniowej EI i E.
Klasa odporności ogniowej zależy od klasy odporności pożarowej do której zaliczony zostanie dany budynek. Klasy te z kolei uzależnione są od przeznaczenia i sposobu użytkowania budynku (ZL I ÷ V – kategorie zagrożenia ludzi), wysokości budynku lub liczby kondygnacji oraz obciążenia ogniowego [4].
Ściany bezszprosowe wykonywane są podobnie jak standardowe przegrody o konstrukcji słupowo-ryglowej. W konstrukcjach bezszprosowych nie ma jednak słupów ani rygli, a profile występują wyłącznie po ich obwodzie, stanowiąc ramy zewnętrzne.
Wysokie tafle szklane ustawione są obok siebie, zazwyczaj w odległości około 5 mm, a szczelinę miedzy nimi wypełnia specjalny silikon ognioodporny, uzupełniony często uszczelką pęczniejącą. Wąskie łączenia tafli szklanych sprawiają wrażenie ściany wykonanej z monolitycznego kawałka szkła – daje to o wiele lepszy efekt wizualny niż przeszklone ścianki profilowe.
Jak wspomniano wcześniej profile występują jedynie w miejscu łączenia szklanej ściany z innymi elementami budynku, tworząc ramę w której umieszczone są przeszklenia. Profile te stanowią zamocowanie dla szkła oraz pełnią funkcję łącznika z konstrukcją mocującą. Ramy wykonywane są zazwyczaj dokładnie tak samo, jak te stosowane w standardowych przegrodach słupowo-ryglowych, z profili metalowych [5], [6], [15], [7]–[14] lub drewnianych [3], [16].
Profile stosowane w przeszklonych ścianach bezszprosowych mają przeważnie symetryczny przekrój poprzeczny.
Drewniane wykonane są z drewna litego lub klejonego warstwowo, a metalowe składają się z elementów aluminiowych lub stalowych połączonych przekładką termiczną (profile trzykomorowe) [17].
W przypadku profili metalowych istotne jest prawidłowe wypełnienie ich przekroju w celu zapewnienia odpowiedniej izolacji profilu oraz ograniczenia niekorzystnego wpływu naprężeń termicznych.
Wewnątrz profili umieszcza się specjalne wkładki izolacyjne wykonane najczęściej z płyt gipsowo-kartonowych, silikatowo-cementowych lub silikatowo-wapniowych, choć na rynku występują również rozwiązania z wypełnieniem drewnianym [18], [19].
Znajomość zastosowanych elementów składowych czy też sposobu wykonania przeszklonej ściany bezszprosowej nie daje jednak odpowiedzi na pytanie, jak długo przegroda tego typu może skutecznie przeciwstawiać się oddziaływaniu ognia. Nie jest możliwe wyznaczenie w sposób obliczeniowy odporności ogniowej przeszklonych ścian bezszprosowych. Jedyna metoda pozwalająca na ocenę tej właściwości to badanie wykonane zgodnie z odpowiednią normą badawczą.
Jedną z cech sprawdzanych podczas badania tego typu jest izolacyjność ogniowa, która wyznaczana jest na podstawie przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni elementów próbnych. Pomiary tych przyrostów prowadzone są w ściśle określonych miejscach. W niniejszej pracy przeanalizowano wyniki przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni 15 ścian bezszprosowych, w celu wyznaczenia miejsc w których najczęściej dochodzi do przekroczeń temperatury kryterialnej.
Rys. 3. Widok nienagrzewanej powierzchni elementów próbnych przeszklonych ścian bezszprosowych w momencie przekroczenia kryterium szczelności ogniowej
Badanie odporności ogniowej przeprowadza się nagrzewając przegrodę z jednej strony. W przypadku ścian o przekroju symetrycznym wystarczy wykonać sprawdzenie z dowolnej strony, a dla wariantu niesymetrycznego - z obu stron.
Próbka montowana jest w konstrukcji mocującej umieszczonej w specjalnej ramie badawczej, a następnie przystawiana do komory badawczej imitującej oddziaływanie pożaru. Nagrzewanie elementu próbnego prowadzone jest zgodnie ze standardową krzywą temperatura-czas przedstawioną w postaci linii ciągłej na rys. 1, przyjmowaną jako charakterystyczną dla odzwierciedlenia w pełni rozwiniętego pożaru wewnątrz budynku.
W trakcie badania w zakresie odporności ogniowej weryfikowane mogą być takie kryteria, jak szczelność ogniowa (E), izolacyjność ogniowa (I), promieniowanie (W) oraz odporność na oddziaływanie mechaniczne (M). Przedstawione kryteria skuteczności działania oraz metodologia badań odporności ogniowej przeszklonych ścian działowych została szeroko omówiona w dostępnej literaturze [2]–[4], [10], [23]–[46].
Na rysunku 2 przedstawiono fotografie przeszklonych, bezszprosowych ścian działowych w trakcie badania w zakresie odporności ogniowej. Zakończenie badania w zakresie odporności ogniowej następuje w momencie, w którym wybrane kryteria odporności ogniowej zostały osiągnięte.
Może także nastąpić wtedy, gdy życzy sobie tego zleceniodawca badania lub w momencie, w którym dalsze prowadzenie testu stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu lub może spowodować uszkodzenie wyposażenia badawczego. Na rysunku 3 przedstawiono kilka elementów próbnych przeszklonych ścian działowych w momencie zakończenia badania z uwagi na utratę ich szczelności ogniowej.
Klasa odporności ogniowej przeszklonych ścian bezszprosowych przyznawana jest zgodnie z normą PN-EN 13501-2 [43] na podstawie opisanego wcześniej badania w zakresie odporności ogniowej. Norma klasyfikacyjna w przypadku omawianych elementów definiuje kilka rodzajów możliwych do nadania
klas odporności ogniowej związanych z kombinacjami parametrów skuteczności działania, opisanych wcześniej (E, I, W, M). Klasy zdefiniowane w normie zestawione zostały w Tabeli 1.
Tabela 1. Klasy odporności ogniowej przeszklonych ścian działowych
Tabela 2. Wykaz przebadanych elementów próbnych
Rys. 4. Rozkład termoelementów na nienagrzewanej powierzchni elementów próbnych
W dokumencie klasyfikującym przeszklone ściany bezszprosowe, oprócz dokładnego scharakteryzowania ocenianego elementu, znajduje się także punkt odnoszący się do zakresu zastosowania wyników badania, zawierający wszystkie możliwe do wykonania zmiany w konstrukcji ścianki nie wpływające na obniżenie jej właściwości ogniowych.
Wyróżniamy zakres bezpośredniego zastosowania wyników badania, który przedstawiony jest w normie badawczej [20], oraz zakres rozszerzony, który opisany jest w tzw. normie EXAP [47]. Metodyka klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej przeszklonych ścian działowych oraz związane z nią aspekty zostały szeroko omówione w literaturze, m. in. w [4], [32], [36]–[38], [48]–[52].
Elementy próbne każdorazowo wykonane zostały w taki sam sposób. Składały się z trzech przeszkleń połączonych bezszprosowo wzdłuż pionowych krawędzi. Z kolei wzdłuż trzech krawędzi elementu próbnego (obu poziomych oraz jednej pionowej) wykonana została stalowa lub aluminiowa rama, która zamocowana była do konstrukcji mocującej. Krawędź wzdłuż której nie wykonano ramy stanowiła krawędź swobodną (niezamocowaną).
Przestrzeń pomiędzy przeszkleniem i konstrukcją mocującą została w tym miejscu wypełniona niepalną wełną mineralną.
Analiza została przeprowadzona dla dziewięciu różnych systemów z których osiem oznaczonych jako AL1 – AL8 wykonanych było z profili aluminiowych, natomiast jeden, oznaczony jako ST1 wykonany był z profili stalowych. W przegrodach zastosowano 7 różnych rodzajów przeszkleń, oznaczonych jako S1 – S7. Bezszprosowe połączenia przeszkleń wykonano przy użyciu trzech rodzajów silikonów, oznaczonych jako S1 – S3.
W niektórych przypadkach w przestrzeni pomiędzy przeszkleniami zastosowano, oprócz silikonu, dodatkowo uszczelki pęczniejące, oznaczone jako UP1 – UP6. Przebadane elementy próbne wraz z ich wymiarami zestawione zostały w tabeli 2.
W celu określenia słabych punktów z uwagi na izolacyjność ogniową przeszklonych ścian działowych wytypowane zostały cztery następujące obszary związane z rozmieszczeniem termoelementów zgodnie z normą PN-EN 1364-1 [20]:
Rozmieszczenie poszczególnych termoelementów przedstawiono na rysunku 4.
Maksymalne wartości przyrostu temperatury w danym punkcie w 15, 30, 45 i 60 minucie badania, zmierzone przy użyciu powierzchniowych termoelementów typu K, zgodnych z normą PN-EN 1363-1 zestawione zostały w tabelach 3 i 4. W tabeli 5 zestawiono procentowy udział osiągnięcia maksymalnej temperatury w danym miejscu oraz w określonym czasie w odniesieniu do wszystkich badań.
Tabela 3. Maksymalne wartości przyrostów temperatury w danym punkcie w 15 i 30 minucie badania
Tabela 4. Maksymalne wartości przyrostów temperatury w danym punkcie w 45 i 60 minucie badania
Tabela 5 Procentowy udział osiągnięcia maksymalnej temperatury w danym miejscu oraz w określonym czasie w odniesieniu do wszystkich badań
Nawet niewielka zmiana w konstrukcji może spowodować radykalne obniżenie klasy odporności ogniowej przegrody. Dlatego też tak naprawdę jedyny sposób pozwalający na ocenę odporności ogniowej przeszklonej ściany bezszprosowej to przeprowadzenie odpowiedniego badania.
Analizując wyniki przedstawione w tabelach od 3 do 5 zauważyć można, że najbardziej krytyczne miejsca z uwagi na izolacyjność ogniową przeszklonych ścian osłonowych znajdują się na ich obramowaniu.
To tam, w większości przypadków osiągnięty został najwyższy przyrost temperatury maksymalnej. Biorąc pod uwagę przepisy obowiązujące w Unii Europejskiej związane z badaniem oraz klasyfikacją przeszklonych ścian zjawisko to można wytłumaczyć w następujący sposób. Elementy obramowania oceniane są tylko z uwagi na przyrost maksymalnej temperatury, który w badaniu nie może przekroczyć 180 K.
W przypadku przeszkleń dodatkowo pod uwagę brane jest kryterium przyrostu temperatury średniej, który to ograniczony jest do 140 K. W związku z powyższym szyby przeciwpożarowe projektowane są w taki sposób, aby zapobiegać przyrostowi temperatury średniej, którego wartość jest zdecydowanie niższa niż w przypadku temperatury maksymalnej. Z tego względu muszą one posiadać lepszą izolacyjność ogniową niż profile.
Biorąc pod uwagę wyniki uzyskane wyłącznie dla przeszklenia można zauważyć, że najbardziej krytyczne miejsca znajdują się w środku jego wysokości, w okolicy połączeń bezszprosowych. Większy przyrost temperatury w tych miejscach związany jest z deformacją elementu próbnego.
Przeszklenia w badaniach ogniowych bezszprosowych ścian działowych wyginają się w kierunku wnętrza pieca, a największa wartość deformacji osiągana jest zazwyczaj w środku ich wysokości. Dodatkowo wartości ugięcia sąsiednich przeszkleń często odbiegają od siebie. Przez to pomiędzy przeszkleniami powstają niewielkie szczeliny, przez które wydostają się gorące gazy z pieca, co dodatkowo zwiększa przyrost temperatury na termoelementach umieszczonych w pobliżu.
Bartłomiej Sędłak, Instytut Techniki Budowlanej Paweł Sulik, Instytut Techniki Budowlanej Jacek Kinowski, Instytut Techniki Budowlanej
Bibliografia
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne |