Bezpieczeństwo pożarowe budynków z dwupowłokowymi ścianami zewnętrznymi. Część 1

Szczegóły: Kategoria: Wydanie 09/2017; Opublikowano: 26 wrzesień 2017

Ściany zewnętrzne: słupowo-ryglowe (rys. 1a), segmentowe (rys. 1b) i wypełniające (rys. 1c), są rozwiązaniami tradycyjnymi, stosowanymi od lat w budownictwie. Konstruowane są na zasadzie pojedynczej przegrody oddzielającej wewnętrzną przestrzeń budynku od otoczenia.

Ściany dwupowłokowe (rys. 1d) spełniają taką samą funkcję oddzielającą przestrzeń wewnętrzną budynku od otoczenia jak inne rodzaje ścian zewnętrznych, lecz mogą być wykorzystane do pełnienia kilku różnych funkcji jednocześnie.

Wprowadzenie

Na rys. 1 przedstawiony został podział ścian nienośnych, przeszklonych.

2017 9 14 1

Rys. 1. Podział ścian nienośnych przeszklonych

Dwupowłokowe ściany zewnętrzne są rozwiązaniem o stosunkowo krótkiej historii. Ich rozwój przypada na ostatnich 15÷20 lat (z nielicznymi zastosowaniami wcześniejszymi).

Ściany dwupowłokowe stosowane we współczesnym budownictwie sięgają głęboko do starych doświadczeń ze stosowania okna skrzynkowego [9], tj. konstrukcji okna z pełniącą rolę buforu termicznego przestrzenią powietrzną między przeszklonymi przegrodami (rys. 2 a).

2017 9 14 2

Rys. 2. Okno skrzynkowe: a) przekrój, b) fotografia starego budynku szwajcarskiego z oknami skrzynkowymi [9].

Na przestrzeni ostatnich 15-20 lat nastąpił intensywny rozwój prac doświadczalnych, analitycznych jak i numerycznych dotyczących zastosowania ścian dwupowłokowych [2÷10, 14÷21, 23÷25].

Rozwój ścian dwupowłokowych związany jest z rozwojem nowoczesnego budownictwa i związanych z tym rozwojem wymagań akustycznych, rosnących wymagań ochrony środowiska oraz coraz bardziej restrykcyjnych przepisów w zakresie efektywności energetycznej.

Zastosowanie ścian dwupowłokowych pozwala na zapewnienie odpowiedniego komfortu cieplnego wewnątrz pomieszczeń, ochronę przed hałasem i dobry dostęp światła dziennego. Ponadto może zapewnić lepszą izolację termiczną, a odpowiednie rozwiązania technologiczne, wykorzystujące warunki klimatyczne, pozwalają na ograniczenie zapotrzebowania na energię.

Współczesne ściany dwupowłokowe, przy zastosowaniu pewnych rozwiązań, mogą zapewniać zmianę parametrów fizyko-technicznych budynków: izolacyjności cieplnej, transmisji energii światła słonecznego, wymiany powietrza, ochrony przed hałasem itd., w zależności od aktualnych wpływów zewnętrznych.

Wspomniane wyżej okna skrzynkowe na pewno powyżej wymienione cechy posiadały, choć wiązało się to z koniecznością demontażu tzw. skrzydeł zimowych na okres letni.

Problemem budynków z zastosowanymi ścianami dwupowłokowymi jest spełnienie wymagań w zakresie bezpieczeństwa pożarowego. O ile zastosowanie ściany dwupowłokowej zwiększa izolacyjność termiczną i akustyczną budynku w porównaniu z tradycyjnymi ścianami jednopowłokowymi, to uszkodzenie wewnętrznej powłoki ściany podczas pożaru może prowadzić do rozprzestrzeniania się ognia i dymu do sąsiednich kondygnacji (rys. 3).

2017 9 14 3

Rys. 3. Rozprzestrzenianie i przenikanie ognia i dymu w budynku z dwupowłokową ścianą

(...)

Autorzy podjęli próbę przybliżenia problemu bezpieczeństwa pożarowego budynków ze ścianami dwupowłokowymi.

Specyfika dwupowłokowych ścian zewnętrznych

Podstawową cechą dwupowłokowych ścian zewnętrznych jest złożoność struktury.

Budowa dwupowłokowych ścian zewnętrznych na ogół jest następująca:

ściana – najczęściej słupowo-ryglowa, od strony pomieszczeń, stanowiąca powłokę wewnętrzną,
ściana z tafli szklanych, stanowiąca powłokę zewnętrzną, mocowana mechanicznie do wsporników, które są przytwierdzone do konstrukcji nośnej budynku,
przestrzeń międzypowłokowa – odległość pomiędzy powłokami wewnętrzną i zewnętrzną może wynosić od kilku centymetrów do 2 m i więcej; przestrzeń ta w zależności od głębokości może być wykorzystywana do celów użytkowych, np. umieszczenia żaluzji wykorzystywanych jako system zacieniający.

Ściany dwupowłokowe mogą być różnicowane według następujących, trzech kryteriów:

rodzaj wentylacji: naturalna, hybrydowa lub mechaniczna,
podział przestrzeni międzypowłokowej ściany dwupowłokowej (poziomy, pionowy, poziomy i pionowy) oraz związany z tym sposób wentylowania tej przestrzeni (rys. 4, rys. 6÷9),
przyjęty schemat przepływu powietrza w przestrzeni międzypowłokowej (rys. 5),

2017 9 16 2

Rys. 5. Schematy przepływu powietrza w przestrzeni międzypowłokowej ścian dwupowłokowych. Strony budynku: Z – zewnętrzna, W – wewnętrzna

Geometria ścian dwupowłokowych, wybór szyb i urządzeń do zacieniania oraz położenie i wielkość otworów wewnętrznych i zewnętrznych określają zastosowanie typu ściany dwupowłokowej i strategii wentylowania i ogrzewania/klimatyzowania przestrzeni (HVAC), której należy przestrzegać w celu osiągnięcia lepszej jakości środowiska wewnętrznego i ograniczenia zużycia energii.

W zależności od przyjętej koncepcji przestrzennej i zastosowanego systemu, poszczególne powłoki ścian dwupowłokowych mogą mieć odmienną budowę i występować w zróżnicowanej wzajemnie konfiguracji. Przestrzeń między powłokami wydzielona przez dwie przeszklone ściany tworzy zamknięty układ, w którym cyrkuluje powietrze. Powietrze to jest podgrzewane przez promieniowanie słoneczne i przemieszcza się w wyniku występowania efektu kominowego i działania systemów mechanicznych.

Wentylacja przestrzeni między powłokami może być naturalna, hybrydowa lub mechaniczna, a sposoby wentylowania przestrzeni międzypowłokowej zilustrowano na rys. 4.

2017 9 16 1

Rys. 4. Sposoby wentylowania przestrzeni międzypowłokowej ścian dwupowłokowych: a) wentylacja w ramach jednego lub kilku pomieszczeń, b) wentylacja w kierunku kanału zbiorczego, c) wentylacja w ramach jednej kondygnacji, d) swobodna wentylacja pomiędzy pierwszą i ostatnią kondygnacją.

Rozwiązania ścian dwupowłokowych różnią się nie tylko budową, ale również przyjętym schematem cyrkulacji powietrza w przestrzeni międzypowłokowej (rys. 5). Schematy przepływu powietrza w przestrzeni międzypowłokowej zilustrowano na rys. 5 (wg [14, 25]):

1. W tym schemacie przepływu powietrze jest wprowadzone do przestrzeni międzypowłokowej z zewnątrz i wyprowadzane w kierunku na zewnątrz. Wentylacja przestrzeni międzypowłokowej tworzy kurtynę otaczającą zewnętrzną powłokę ściany.

2. Powietrze jest wprowadzane z wewnątrz pomieszczenia i jest zwrócone do wnętrza pomieszczenia grawitacyjnie lub poprzez system wentylacyjny. Wentylacja przestrzeni międzypowłokowej tworzy kurtynę otaczającą powłokę wewnętrzną ściany.

3. Powietrze do przestrzeni międzypowłokowej dostarczane jest z zewnątrz i przekazywane do wnętrza pomieszczenia lub do systemu wentylacyjnego. Wentylacja przestrzeni międzypowłokowej umożliwia zatem dostarczanie powietrza do budynku.

4. Powietrze dostarczane z wnętrza pomieszczenia jest usuwane na zewnątrz. Wentylacja przestrzeni międzypowłokowej umożliwia usunięcie powietrza z budynku.

5. Brak przepływu – strefa buforowa między wnętrzem a zewnętrzem budynku, tworzona przez niewentylowaną przestrzeń międzypowłokową.

Klasyfikacja dwupowłokowych ścian zewnętrznych zależy od wielu parametrów i nie jest do dzisiaj jednoznacznie zdefiniowana. Podział tych ścian w zależności od podziałów przestrzeni między powłokami oraz przyjętego schematu cyrkulacji powietrza w przestrzeni międzypowłokowej zilustrowano na rys. 6÷9:

A) ściana dwupowłokowa skrzynkowa (rys. 6)

W tej konstrukcji ściany (rys. 6) wentylację przestrzeni międzypowłokowej przewiduje się jako indywidualną dla każdego elementu (skrzynki) o wysokości z reguły nie większej niż wysokość jednej kondygnacji. Przestrzeń międzypowłokowa podzielona jest przegrodami poziomymi na każdej kondygnacji oraz pionowymi, oddzielającymi poszczególne okna, lub co 2÷4 kwatery, tworząc skrzynki.

2017 9 16 3

Rys. 6. Ściana dwupowłokowa skrzynkowa

B) ściana dwupowłokowa skrzynkowo-kanałowa (rys. 7)

Ściana ta jest odmianą ściany skrzynkowej. Istnieją jednak istotne różnice w wentylowaniu przestrzeni międzypowłokowej (rys. 7). Otwory nawiewne wykonuje się, podobnie jak w ścianie skrzynkowej, bezpośrednio w zewnętrznej powłoce ściany, natomiast otwory wywiewne zlokalizowane są w pionowych przegrodach przestrzeni międzypowłokowej, oddzielających elementy skrzynkowe od wielokondygnacyjnych kanałów utworzonych z elementów skrzynkowych pozbawionych przegród poziomych (rys. 5).

Wysokość kanałów musi być jednak w praktyce ograniczana do wysokości kilku kondygnacji. Z tego względu ściany skrzynkowo- kanałowe stosowane są najczęściej w budynkach o niewielkiej wysokości, choć znane są przykłady zastosowania także w budynkach wysokich na zasadzie powtórzenia kilkukondygnacyjnych modułów.

2017 9 16 4

Rys. 7. Ściana dwupowłokowa skrzynkowo-kanałowa

C) dwupowłokowa ściana korytarzowa (rys. 8)

W dwupowłokowych ścianach korytarzowych stosuje się podział przestrzeni międzypowłokowej przegrodą poziomą co jedną kondygnację, najczęściej na wysokości stropu. Przegrody pionowe znajdują się jedynie w osiach, w których ich zastosowanie wynika ze względów akustycznych, bezpieczeństwa pożarowego lub ze względu na ewentualne zaburzenia przewietrzania przestrzeni międzypowłokowej.

Najczęściej ma to miejsce w narożnikach budynku, w których mogą wystąpić istotne różnice ciśnienia, a w związku z tym przy otwartych oknach powłoki wewnętrznej nastąpić może tzw. przeciąg poprzeczny. W przypadku zastosowania przegród pionowych w narożnikach budynku problem ten jest w zasadzie wyeliminowany. W pozostałych fragmentach korytarzy występują z reguły jedynie nieznaczne różnice ciśnienia wspomagające przewietrzanie przestrzeni międzypowłokowej.

2017 9 16 5

Rys. 8. Dwupowłokowe ściany korytarzowe

D) ściana wielokondygnacyjna – całopowierzchniowa (rys. 9)

Cechą charakterystyczną tego typu ścian (rys. 9) jest całkowity brak przegród w przestrzeni międzypowłokowej – zarówno poziomych, jak i pionowych. Otwory wlotowe powietrza – o znacznych na ogół rozmiarach – usytuowane są w dolnej części najniższej kondygnacji, zaś otwory wylotowe na poziomie dachu. Przypadkiem skrajnym jest rozwiązanie, w którym nie stosuje się również przegród w narożach budynku i przestrzeń międzypowłokowa ciągnie się nieprzerwanie na całym jego obwodzie.

2017 9 16 6

Rys. 9. Dwupowłokowe ściany wielokondygnacyjna

dr inż. Zofia Laskowska

dr Andrzej Borowy

Artykuł powstał na podstawie referatu
prezentowanego przez współautorkę
na 30. Konferencji Technicznej, zorganizowanej
przez „Świat Szkła” w 2016 r.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami)

2. Oesterle, E., Lieb, R.-D., Lutz, G., and Heusler, B.: Doubleskin facades: integrated planning: building physics, construction, aerophysics, airconditioning, economic viability, Prestel, Munich, 2001

3. Gogolok G.: Ściany osłonowe dwupowłokowe, materiały II konferencji naukowo-technicznej „Nowoczesne lekkie ściany osłonowe i okna”, Mrągowo, 13 – 15 października 1999 r.

4. Gogolok G., Korlaga J.: Dwupowłokowe ściany osłonowe, materiały III konferencji naukowo-technicznej „Nowoczesne lekkie ściany osłonowe”, Mrągowo, 13 – 16 listopada 2001

5. Kosiorek M.: Problemy bezpieczeństwa pożarowego budynków z dwupowłokowymi ścianami osłonowymi. „Architektura-Murator”, 02/2001, str. 96-99

6. Poirazis, H.: Double Skin Facades for Office Buildings, 1. vyd. Lund: Lund University, Lund Institute of Technology, Department of Construction and Architecture, KFS AB, Lund 2004. ISBN 91-85147-02-8

7. Poirazis H.: Double-Skin Facades for Office Buildings – Literature Review, Lund University, Sweden 2004

8. Jager, W.: Double Skin Facades – Sustainable Concepts, Presentation of Hydro for Syd Bygg, Malmo, Sweden, 2003

9. Kushelieva D.: Double skin facades. THA1240Technology 3: Materials and Tectonics, U1156880 BA(Hons) Architecture

10. Valoušková K.: Double skin transparent façades and natural ventilation, Roomvent 2014

11. Zielonko-Jung K.: Szklana ściana dwupowłokowa typu okno wywiewne, „Świat Szkła” 1/2005

12. Kosiorek M., Laskowska Z.: Kurtynowe ściany osłonowe z uwagi na bezpieczeństwo pożarowe, „Materiały Budowlane” 12/2006, str. 70-72

13. Laskowska Z., Kosiorek M.: Bezpieczeństwo pożarowe ścian kurtynowych, „Świat Szkła” 1/2008, str. 16-21

14. Reinhard Waldner (MCE – Austria), Gilles Flamant, Sabrina Prieus (BBRI – Belgia), Heike Erhorn-Kluttig (FhG -IBP – Germany), Ifigenia Farou (NKUA – Greece), Rogério Duarte (ISQ – Portugal), Christer Blomqvist (WSP – Sweden), Natalia Kiossefidi (Dimglas – Greece), Danny Geysels (Reynaers – Belgium), Gérard Guarracino and Bassam Moujalled (ENTPE – France: BESTFAÇADE. Best Practice for Double Skin Façades EIE/04/135/S07.38652, Åke Blomsterberg, Energy and Building Design, University of Lund, 2007

15. Bojęś A.: Przeszklone ściany osłonowe - prognozy rozwoju. „Świat Szkła” 9/2008

16. Brzezicki M.: Podwójna fasada w Centrum Handlowym Arkady Wrocławskie, „Świat Szkła” 4/2008

17. Junmei LI, Xuefei X, Cheng HU, Yanfeng LI, Chenchen YIN, Shanshan LIU: Numerical studies on effects of cavity width on smoke spread in double-skin façade, 2012 International Symposium on Safety Science and Technology

18. Zhaopeng Ni, Shichang Lu and Lei Peng: Experimental study on fire performance of double-skin glass facades

19. Lei Peng, Zhaopeng Ni and Xin Huang: Experimental and numerical study of fire spread upon doubleskin glass facades, MATEC Web of Conferences 9, 03009 (2013)

20. C.L. Chow: A qualitative investigation on double-skin façade fires, MATEC Web of Conferences 9, 03007 (2013)

21. Bugaj A.: Podwójna fasada – efektywny element systemu wentylacji budynku (Double skin facade – an effective element of building ventilation system), “Rynek Instalacyjny” 11/2013

22. Laskowska Z.: Wymagania w zakresie bezpieczeństwa pożarowego ścian osłonowych kurtynowych, w: Przegrody przeszklone w ochronie przeciwpożarowej II. Wydanie specjalne „Świata Szkła”, sierpień 2014;

23. Double Skin Transparent Facades and Natural Ventilation (PDF Download Available), https://www.researchgate. net/publication/270904664_Double_Skin_Transparent_ Facades_and_Natural_Ventilation [accessed Jun 13, 2017]

24. Szmuryło K.: Podwójna fasada Część 4: bezpieczeństwo konstrukcji i ochrona p. poż., „Świat Szkła” 11/2015

25. Mostafa M. S. Ahmed, Ali K. Abel-Rahman, Ahmed Hamza H. Ali, and M. Suzuki: Double Skin Façade: The State of Art on Building Energy Efficiency, Journal of Clean Energy Technologies, Vol. 4, No. 1, January 2016

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacji: Świat Szkła 09/2017