Ocena odporności ogniowej dachów przeszklonych o konstrukcji stalowej

Fot. 1. Widok dachu przeszklonego od strony nienagrzewanej przed badaniem

Dachy przeszklone, także te o konstrukcji stalowej, są projektowane w budynkach ze względu na szereg walorów zarówno architektonicznych, jak i użytkowych. Obliczenia statyczne wykonuje się przede wszystkim z uwagi na stan graniczny użytkowania, uwzględniając ciężar własny elementu (w tym obciążenie szybami), obciążenie wiatrem, obciążenie śniegiem i ewentualnie inne obciążenia użytkowe, jeśli występują. Należy przy tym pamiętać, że z uwagi na wymagania użytkowe (izolacyjność cieplną, ochronę przed promieniowaniem UV) zestawy szyb w przypadku dachów przeszklonych stanowią istotne obciążenie dla profili nośnych dachu. W konstrukcjach bardzo często wykorzystuje się obecnie systemowe profile stosowane w ścianach osłonowych i ścianach działowych. Ze względu na wymagania zawarte w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1] dachy przeszklone pełniące funkcję oddzielającą w przypadku pożaru, muszą także spełniać określone kryteria odporności ogniowej.


Metoda badania odporności ogniowej dachów przeszklonych
Badania odporności ogniowej dachów, także przeszklonych, wykonuje się zgodnie z normą PN-EN 1365-2:2002 [2].

W normie tej podane są informacje na temat:

• elementu próbnego,
• wytycznych dotyczących projektu elementu próbnego,
• obszaru bezpośredniego zastosowania wyników badania.

Element badany, reprezentatywny dla ocenianego dachu przeszklonego, powinien mieć minimalne wymiary 3 × 4 m. Warunki nagrzewania w piecu badawczym (temperatura, ciśnienie, zawartość tlenu, warunki zamocowania i obciążenie elementu próbnego), określone w normie PN-EN 1363-1:2001 [3], powinny być utrzymywane w określonych granicach.

Podczas badania mierzona jest temperatura nienagrzewanej powierzchni dachu i ugięcia elementu próbnego; prowadzone są także obserwacje zachowania badanego elementu.


Fot. 2. Widok dachu przeszklonego od strony nienagrzewanej podczas badania

Badania są prowadzone do osiągnięcia kryteriów skuteczności działania: nośności ogniowej (R), szczelności ogniowej (E) i izolacyjności ogniowej (I), zdefiniowanych w normie PN-EN 1363-1:2001 [3].

Zasady wyboru elementów do badań, ustalania liczby niezbędnych badań a także ustalania warunków obciążenia elementu próbnego w celu dokonania oceny i ustalania klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej elementów budynku, w tym w szczególności dachów przeszklonych, podane są w normie PN-EN 13501-2+A1:2010 [4].

Odporność ogniowa dachów pełniących funkcję oddzielającą w przypadku pożaru, w tym dachów przeszklonych, oceniana jest w odniesieniu do następujących kryteriów skuteczności działania:

I.  Nośność ogniowa (R)
    Utratę nośności ogniowej uznaje się za osiągniętą, kiedy oba następujące kryteria zostały przekroczone:

• Ugięcie

• szybkość narastania ugięcia

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

II. Szczelność ogniowa (E)
    Utratę szczelności ogniowej uznaje się za osiągniętą, kiedy wystąpiło jedno z następujących kryteriów:

• pojawienie się pęknięć lub otworów przekraczających dopuszczalne rozmiary,
• zapalenie się tamponu bawełnianego,
• utrzymywanie się płomienia na powierzchni nienagrzewanej

III. Izolacyjność ogniowa (I)
    Utratę izolacyjności ogniowej uznaje się za osiągniętą, kiedy wystąpiło jedno z następujących kryteriów:

• przyrost średniej temperatury na powierzchni nienagrzewanej o 140ºC w odniesieniu do początkowej średniej temperatury,
• przyrost temperatury maksymalnej w dowolnym punkcie o 180 ºC w odniesieniu do początkowej średniej temperatury.

Na rys. 1–4 przedstawiono zdjęcia z przeprowadzonych badań.

Klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej dachów przeszklonych o konstrukcji stalowej
W tablicy 1 podano możliwe klasy odporności ogniowej ustalone dla dachów według normy PN-EN 13501-2+A1:2010 [4].


Fot. 3. Widok dachu przeszklonego od strony nienagrzewanej podczas badania

Klasyfikację w zakresie odporności ogniowej dachów, także przeszklonych, określa się na podstawie badań wykonanych według normy PN-EN 1365-2:2002 [2] przy oddziaływaniu ognia od dołu (przyjęto, że takie oddziaływanie jest na ogół bardziej krytyczne).

Z uwagi na specyfikę zachowania konstrukcji dachów przeszklonych w warunkach badania odporności ogniowej, w normie PN-EN 1365-2:2002 [2] dodatkowe wymagania i zakres bezpośredniego zastosowania wyników podano w odrębnym, normatywnym Załączniku A.

Odporność ogniowa dachów przeszklonych jest funkcją właściwości konstrukcji nośnej, tafli szklanych, rozmiarów i współczynników kształtu, mocowania tafli szklanych, współpracy i wzajemnego oddziaływania poszczególnych elementów składowych tworzących dach, przy czym ich właściwości ulegają zmianom z czasem oddziaływania wysokiej temperatury.

Zakres bezpośredniego zastosowania wyników badania odporności ogniowej dachów z przeszkleniami, zgodnie z PN-EN 1365-2:2002 [2], obejmuje:

• zmniejszenie wymiarów liniowych paneli,
• zmianę współczynnika kształtu paneli, pod warunkiem, że największy wymiar panelu i jego powierzchnia nie zwiększą się,
• zmniejszenie odległości pomiędzy szprosami pionowymi i/lub poziomymi,
• zmniejszenie odległości pomiędzy punktami zamocowań,
• zastosowanie listew dociskowych przeszklenia po stronie nienagrzewanej konstrukcji asymetrycznej, jeżeli w elemencie próbnym zastosowano je po stronie nagrzewanej,
• zastosowanie przykręcanych listew dociskowych przeszklenia, jeżeli w elemencie próbnym zastosowano zatrzaskowe listwy dociskowe przeszklenia,
• zastosowanie elementów mocujących przesuwnych, jeżeli w elemencie próbnym zastosowano zamocowania sztywne,
• zastosowanie wyników badania dla konstrukcji nachylonej pod kątem 0°÷15°, jeżeli element próbny badany był w poziomie,
• zastosowanie wyników badania dla konstrukcji nachylonej pod kątem 15°÷80°, jeżeli element próbny nachylony był pod kątem 45°.

W zakresie bezpośredniego zastosowania wyników badań odporności ogniowej dachów przeszklonych nie dopuszcza się innych zmian, między innymi nie dopuszcza się możliwości zwiększenia rozpiętości elementów. Przy ograniczonych wymiarach pieców badawczych implikuje to konieczność projektowania dachów przeszklonych tylko w układzie powielania modułów, które mogą uzyskać klasyfikację w zakresie odporności ogniowej w wyniku przeprowadzenia badań. Tego typu podejście, chociaż bardzo bezpieczne, bardzo ogranicza swobodę projektowania dachów przeszklonych.


Fot. 4. Widok dachu przeszklonego od strony nagrzewanej po badaniu

Równocześnie, określone w normie PN-EN 1365-2:2002 [2] zasady obowiązujące przy projektowaniu elementu próbnego oraz zakres bezpośredniego zastosowania wyników powodują, że w przypadku potrzeby klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej dachów przeszklonych o przewidywanym szerokim zakresie stosowania (dotyczy to zwłaszcza systemów profilowych), liczba koniecznych do przeprowadzenia badań jest znaczna. Problem potęgują wysokie koszty przeprowadzenia badania oraz ograniczenia wynikające z możliwości pieców badawczych (zwłaszcza, jeśli chodzi o rozpiętości elementów badanych).

Zasady oceny odporności ogniowej dachów przeszklonych o konstrukcji stalowej
Przeanalizowano sposób zachowania elementów próbnych dachów przeszklonych poddanych badaniom odporności ogniowej w Zakładzie Badań Ogniowych ITB. W przypadku dachów przeszklonych o konstrukcji stalowej nie następuje zmiana przekroju nośnego profili trakcie badania, natomiast zasadniczym problemem są skutki oddziaływania wysokiej temperatury na materiał profili oraz zachowanie szyb. Zwracano szczególną uwagę na:

• temperaturę stali,
• wydłużenie elementów konstrukcyjnych,
• ugięcie krokwi/płatwi,
• naprężenia,
• temperaturę elementu po stronie nienagrzewanej na profilach,
• oparcie szyb,
• ugięcie szyb,
• wydłużenie szyb,
• temperaturę po stronie nienagrzewanej na szybach.

W dachach przeszklonych o konstrukcji stalowych następuje interakcja pomiędzy wydłużeniem elementów stalowych – powodującym także ugięcie elementu oraz zachowaniem szyb, które deformują się i rozszerzają. Destrukcja szyb, szczególnie tych o dużych rozmiarach, decydowała o uzyskanym wyniku badania. Należy jednak pamiętać, że cały dach został zaprojektowany do spełnienia wymagań określonej klasy odporności ogniowej, szyba zatem była również dobrana do tego założenia i nie można było oczekiwać, że będzie w stanie spełniać wymagania kryteriów odporności ogniowej dłużej niż zakładano. Rozszerzalność szyb oraz wydłużenia profili stalowych, skutkujące ugięciem elementu badanego, miały także podstawowe znaczenie dla wystąpienia zjawiska wysuwania się szyb z oparcia na profilach stalowych.

Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań odporności ogniowej przeszklonych dachów o konstrukcji stalowej wykonanych w Zakładzie Badań Ogniowych ITB opracowano podstawowe zasady ustalania zakresu obowiązywania klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej dachów przeszklonych o konstrukcji stalowej wykraczające poza zakres bezpośredniego zastosowania wyników badań określony w normie PN-EN 1365-2:2002 [2].

Przyjęto ostatecznie, że klasyfikacja w zakresie odporności ogniowej pozostaje ważna w odniesieniu do rozwiązań projektowych odbiegających od konstrukcji badanych o ile:

• maksymalne obliczeniowe wytężenia elementów profilowych zaprojektowanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych są nie większe niż obliczone wytężenia dla elementów profilowych badanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych,
• maksymalne stosunki projektowych ugięć elementów profilowych zaprojektowanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych do rozpiętości tych elementów profilowych są nie większe niż stosunki obliczone dla elementów profilowych badanej konstrukcji nośnej w warunkach normalnych,
• maksymalne charakterystyczne obciążenia (użytkowe, obciążenie śniegiem, obciążenie wiatrem, itd.) w warunkach normalnych są nie większe niż w badaniu,
• w przypadku stalowej konstrukcji nośnej zabezpieczonej ogniochronnie podawana temperatura krytyczna dla elementów profilowych zaprojektowanej konstrukcji nośnej po czasie wynikającym z nadanej klasy odporności ogniowej powinna być nie wyższa niż temperatura krytyczna wyznaczona dla elementów profilowych badanej konstrukcji nośnej.

Podsumowanie
Zakres bezpośredniego zastosowania wyników badań odporności ogniowej dachów przeszklonych, również o konstrukcji stalowej, określony w normie PN-EN 1365-2:2002 [2] bardzo ogranicza możliwości projektowania takich elementów z zachowaniem wymaganej klasy odporności ogniowej. Narzuca równocześnie konieczność przeprowadzania dużej liczby kosztownych badań, które, przy ograniczonych wymiarach pieców badawczych, nie dają podstaw do odpowiedniego rozszerzenia zakresu zastosowania klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej.

Przedstawiony sposób podejścia umożliwia istotne rozszerzenie zakresu zastosowania nadawanej klasyfikacji w zakresie odporności ogniowej przeszklonych dachów o konstrukcji stalowej. Z jednej strony daje projektantom pewną swobodę, a z drugiej nie dopuszcza do dowolności w posługiwaniu się klasyfikacjami w zakresie odporności ogniowej. Jest on dalej modyfikowany w wyniku nowych doświadczeń i obserwacji z prowadzonych badań. Przewiduje się jego weryfikację w większej skali po oddaniu do eksploatacji nowych stanowisk badawczych, umożliwiających przeprowadzenie badań elementów o dużych rozpiętościach, w uruchamianym nowym Laboratorium Badań Ogniowych w Pionkach.

Piśmiennictwo
[1]  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2002 r. Nr 75, poz..690 z późniejszymi zmianami).
[2] PN-EN 1365-2:2002 Badania odporności ogniowej elementów nośnych. Część 2: Stropy i dachy.
[3] PN-EN 1363-1:2001 Badania odporności ogniowej. Część 1: Wymagania ogólne.
[4] PN-EN 13501-2+A1:2010 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 2: Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej.

Andrzej Borowy
Bogdan Wróblewski
Zbigniew Musielak
Instytut Techniki Budowlanej,
Zakład Badań Ogniowych


CZYTAJ WIĘCEJ

Strzechy - palne pokrycia dachowe
Przeszklone przekrycia dachowe
Odporność ogniowa dachów. Wymagana metodyka badań
Bezpieczeństwo pożarowe dachów

---