Bezpieczeństwo pożarowe szklanych fasad - wymagania konstrukcyjne

2019-01-23 11:53 dr inż. Paweł Sulik, ITB, Szkoła Główna Służby pożarniczej w Warszawie, mgr inż. Bartłomiej Sędłak
Bezpiezeństwo pożarowe szklanej fasady
Autor: archiwum ITB W ciągu ostatnich kilku lat, w odróżnieniu do innych państw, nie mieliśmy w naszym kraju do czynienia z bardzo dużymi pożarami budynków wysokich lub wysokościowych. Zawdzięczamy to m.in. dobrze określonym i nierzadko wysoko postawionym wymaganiom związanym z bezpieczeństwem pożarowym obiektów, w tym elewacji

Bezpieczeństwo pożarowe w przypadku fasad szklanych zależy od odpowiedniej konstrukcji i wykonania - muszą bowiem ograniczać (przez określony czas) rozprzestrzenianie się pożaru na sąsiednie kondygnacje oraz pobliskie budynki. W przypadku bezpieczeństwa pożarowego fasad chodzi również o to, aby w razie pojawienia się pożaru na zewnątrz obiektu nie dopuściły one (przez określony czas) do przeniesienia się ognia do jego wnętrza.

Fasady szklane z uwagi na wysoką estetykę oraz łatwość montażu są powszechnie stosowane jako zewnętrzne ściany nowoczesnych budynków. Przegrody tego typu wykonywane są zazwyczaj jako słupowo-ryglowe konstrukcje szkieletowe, w których przestrzenie pomiędzy profilami wypełnione są przeszkleniami. Przegrody te, nazywane ścianami osłonowymi, tworzą lekkie, ciągłe pokrycie zewnętrzne budynku, które musi samodzielnie lub w połączeniu z konstrukcją obiektu spełnić wszystkie funkcje nienośnej ściany zewnętrznej, w tym również te związane z bezpieczeństwem pożarowym budynku.

Zgodnie z trendami obowiązującymi we współczesnej architekturze przeszklenia wypełniające ściany osłonowe powinny być duże, co stanowi trudne z technicznego punktu widzenia wyzwanie, zwłaszcza w przypadku ścian osłonowych, dla których wymagana jest określona klasa odporności ogniowej.

Bezpieczeństwo pożarowe budynków - wymagania

Przepisy dotyczące bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych zostały przedstawione w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Ich podstawowym założeniem jest zapewnienie w trakcie pożaru nośności konstrukcji przez określony czas, ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku oraz przenoszenia się pożaru na obiekty sąsiednie, możliwość ewakuacji ludzi znajdujących się w obiekcie oraz zagwarantowanie bezpieczeństwa ekipom prowadzącym akcję ratowniczą. Wymagania te zazwyczaj są ze sobą powiązane, w związku z tym te same elementy budynku podczas pożaru mogą spełniać kilka funkcji (np. zapewnienie właściwej ewakuacji związane jest z nośnością konstrukcji, rozprzestrzenianiem się ognia i dymu wewnątrz obiektu, a także z bezpieczeństwem ekip ratowniczych).

Poziom wymaganego bezpieczeństwa dla danego budynku określany jest na podstawie wielu czynników, np.:

  • przewidywanego sposobu użytkowania,
  • wysokości,
  • liczby kondygnacji.

Dlatego też w rozporządzeniu ustanowione zostało pięć klas odporności pożarowej budynków, do których może być zaliczony dany obiekt lub jego część, oznaczanych literami od „A” (najwyższa) do „E” (najniższa). W zależności od przyjętej klasy określa się wymagania w zakresie odporności ogniowej elementów przeszklonych poprzez wyznaczenie minimalnych klas odporności ogniowej EI oraz E. Dla szklanych fasad jako zewnętrznych ścian budynku powinny wynosić od EI 30 (o ↔ i) do EI 120 (o ↔ i) w zależności od odporności pożarowej budynku (wyjątkiem jest klasa „E”, dla której nie są stawiane żadne wymagania). Dotyczą one w głównej mierze obszaru pasa międzykondygnacyjnego wraz z połączeniem ze stropem, a w przypadku bliskiego sąsiedztwa innego budynku (mniej niż 8 m), także całości ściany osłonowej.

Pasy międzykondygnacyjne w obiektach ZL powinny mieć wysokość co najmniej 0,8 m, za wyjątkiem tych znajdujących się nad strefą pożarową PM, o gęstości obciążenia ogniowego powyżej 1000 MJ/m², dla których minimalna wymagana wysokość wynosi 1,2 m. W obu przypadkach dopuszcza się zamiennie zastosowanie oddzieleń poziomych w formie daszków, gzymsów i balkonów o wysięgu wskazanym w rozporządzeniu. Określone wymagania stawiane są również elementom okładzin elewacyjnych – powinny być zamocowane do konstrukcji budynku w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w trakcie pożaru, przed upływem czau wynikającego z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany zewnętrznej. Zaś w przypadku obiektów o wysokości przekraczającej 25 m, okładzina elewacyjna i jej zamocowania mechaniczne, znajdujące się powyżej 25 m powinny być wykonane z materiałów niepalnych. Stuprocentowe spełnienie tego ostatniego przepisu, z uwagi na obecność w szklanych ścianach osłonowych uszczelek (np. kauczukowych lub silikonowych) i tworzywowych przekładek termicznych, z technicznego punktu widzenia jest niemożliwe.

Bezpieczeństwo pożarowe - przykładowe rozwiązania konstrukcyjne

Szklane fasady wykonywane są zazwyczaj jako konstrukcje szkieletowe, w których przestrzenie pomiędzy metalowymi lub drewnianymi profilami wypełniane są zespolonymi pakietami, składającymi się z szyby ognioochronnej (zestawu tafli szklanych hartowanych, przedzielanych pęczniejącym lub krystalizującym się pod wpływem temperatury żelem) zespolonej z szybą zewnętrzną. Przeszklenia (grubość hartowanych tafli oraz przedzielającego je żelu), a także profile i ich wypełnienia dobierane są w zależności od przewidywanej klasy odporności ogniowej ściany osłonowej.

Profile drewniane wykonywane są najczęściej z drewna klejonego, które z reguły musi być dodatkowo impregnowane specjalnymi preparatami powstrzymującymi rozprzestrzenianie się ognia. Natomiast profile metalowe powstają zazwyczaj ze stalowych lub aluminiowych kształtowników (przykładowe przekroje profili przedstawiono na rysunkach). W celu zapewnienia izolacyjności profili szkieletu i ograniczenia niekorzystnego wpływu oddziaływań termicznych, wewnątrz kształtowników umieszczane są specjalne wkłady ogniochronne (np. płyty gipsowo-kartonowe, silikatowo-cementowe, krzemianowo-wapniowe).

przekrój szklanej fasady
Autor: archiwum ITB Przykładowy przekrój przez matalowy (po prawej) oraz drewniany (po lewej) profil szklanej fasady

Bezpieczeństwo pożarowe - klasyfikacja ogniowa

Klasy odporności ogniowej zgodnie z europejskimi przepisami nadawane są zgodnie z normą PN-EN 13501-2 na podstawie testów przeprowadzonych według odpowiedniej normy badawczej. Przy jej przyznawaniu pod uwagę brane są takie kryteria skuteczności działania, jak: szczelność ogniowa, izolacyjność ogniowa i promieniowanie.

Szczelność ogniowa to zdolność elementu konstrukcji, pełniącego funkcję oddzielającą, do wytrzymania oddziaływania ognia tylko z jednej strony, bez jego przeniesienia pod wpływem gorących gazów lub płomieni na powierzchnię nienagrzewaną. Szczelność oceniana jest na podstawie trzech aspektów: zapalenia tamponu bawełnianego, utrzymywania się płomienia na powierzchni nienagrzewanej oraz powstawania pęknięć lub otworów przekraczających dopuszczalne wymiary. W przypadku gdy element klasyfikowany jest tylko w zakresie szczelności ogniowej bez uwzględnienia jego izolacyjności ogniowej, wówczas nie bierze się pod uwagę kryterium związanego z zapaleniem się tamponu bawełnianego.

Izolacyjność ogniowa jest zdolnością elementu konstrukcji do wytrzymania oddziaływania ognia tylko z jednej strony, bez jego przeniesienia w wyniku znaczącego przepływu ciepła ze strony nagrzewanej na nienagrzewaną. Izolacyjność oceniana jest na podstawie przyrostów temperatury na nienagrzewanej powierzchni elementu próbnego. Wzrost temperatury średniej ograniczony jest do 140 K powyżej początkowej średniej (jej pomiar w przypadku szklanych fasad prowadzony jest na taflach szklanych), natomiast przyrost temperatury maksymalnej w dowolnym punkcie badanego elementu ograniczony jest do 180 K powyżej początkowej.

Promieniowanie jest zdolnością elementu konstrukcji do wytrzymania oddziaływania ognia tylko z jednej strony tak, aby ograniczyć prawdopodobieństwo przeniesienia ognia na sąsiadujące materiały w wyniku znaczącego wypromieniowania ciepła albo poprzez element z jego powierzchni nienagrzewanej. Promieniowanie oceniane jest na podstawie czasu, w którym jego maksymalna wartość mierzona zgodnie z normą PN-EN 1363-2 nie przekracza 15 kW/m².

Wyniki badań są zawsze zaokrąglane w dół – do najbliższej klasy, jaka może być nadana danemu elementowi. W przypadku gdy klasa odporności ogniowej stanowi kombinację cech, czas deklarowany to najkrótszy ustalony dla którejkolwiek z nich. Dla przykładu, element próbny szklanej fasady, który utracił swoją izolacyjność ogniową w 62. minucie badania wskutek przekroczenia temperatury maksymalnej, na którymś z profili szkieletu, a szczelność ogniową w 95. minucie w wyniku powstania szczeliny o wymiarach większych niż dopuszczalne, powinien być oznaczony jako EI 60/E 90. Klasyfikacje stanowiące kombinację klas i czasów podawane są w kolejności zwiększającego się czasu i zmniejszającej się liczby parametrów skuteczności działania.
W przypadku gdy przeprowadzone zostało więcej niż jedno badanie, ze względu na oczekiwany zakres zastosowania (np. jeśli przewidziano różne rodzaje przeszkleń lub typów połączeń profili szkieletu), klasyfikację dla całości określa najniższy wynik spośród poszczególnych badań.

Klasy odporności ogniowej według normy PN-EN 13501-2 + A1

E 15 - 30 60 90 120
EI
EW - 20 - -


Dodatkowo, zgodnie z normą PN-EN 13501-2 + A1, każdorazowo dla danej klasy odporności ogniowej szklanej fasady podane jest oznaczenie wskazujące na rodzaj badania, na podstawie którego została nadana klasyfikacja. W przypadku szklanych fasad testowanych zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz stosuje się oznaczenie „o ↔ i”. Dla pojedynczego badania danej klasy przy nagrzewaniu od wewnątrz „i → o”, zaś od zewnątrz „o → i”.

Bezpieczeństwo pożarowe - badania odporności ogniowej

Ściany osłonowe mocowane do czoła stropów należy badać zgodnie z normą PN-EN 1364-3. W dokumencie tym wyróżnione zostały dwa przypadki, w których może być określona odporność ogniowa ściany osłonowej – w warunkach nagrzewania od wewnątrz i od zewnątrz. Przypadki te różnią się konfiguracją elementu próbnego, sposobem jego zamocowania oraz warunkami panującymi w piecu badawczym. W sytuacji nagrzewania od wewnątrz temperatura w danym czasie badania powinna być zgodna z krzywą standardową, która przyjmowana jest jako właściwa dla odzwierciedlenia w pełni rozwiniętego następującego po rozgorzeniu, pożaru wewnątrz budynku. Przy nagrzewaniu od zewnątrz, odzwierciedlającym pożar na zewnątrz obiektu (znacznie łagodniejszy), temperatura w danym czasie badania powinna być zgodna z krzywą zewnętrzną.

Sprawdzanie odporności ogniowej przeprowadzane jest na elementach próbnych szklanych fasad. W przypadku nagrzewania od wewnątrz konstrukcja badawcza powinna składać się z elementu próbnego, dwóch płyt stropowych oraz dwóch stowarzyszonych konstrukcji ściennych, zaś przy nagrzewaniu od zewnątrz tylko z elementu próbnego, ewentualnie ramy badawczej. Na zdjęciach przedstawiono element próbny ściany osłonowej przed badaniem w przypadku nagrzewania od wewnątrz oraz od zewnątrz.

Krzywe nagrzewania
Autor: brak danych Krzywe nagrzewania

Element próbny do badań odporności ogniowej powinien być w pełni reprezentatywny dla konstrukcji stosowanej w praktyce (wraz ze złączami kompensacyjnymi, liniowymi uszczelnieniami szczelin, wykończeniami powierzchni i wyposażeniem, mogącym mieć wpływ na zachowanie elementu podczas badania) lub wykonany zgodnie z określoną w normie konfiguracją standardową w celu uzyskania możliwie najszerszego zakresu wykorzystania wyników badań. W przypadku standardowych próbek szklanych fasad wyróżnione zostały elementy proste, czyli takie, w których sąsiednie tafle szklane umieszczone są w profilach słupów równolegle względem siebie, oraz narożne z taflami osadzonymi pod danym kątem.

Szczegółowe wytyczne co do standardowych elementów próbnych, zarówno w warunkach nagrzewania od wewnątrz, jak i od zewnątrz, zostały zestawione w normie badawczej. Bardzo istotne jest, aby w elementach próbnych szklanych fasad użyte były przeszklenia o wymiarach przewidywanych do wykonania w praktyce wraz z odpowiednio dużym rozstawem pomiędzy elementami mocującymi słupy do czoła stropu, ponieważ ma to bezpośredni wpływ na późniejszy zakres zastosowania danego elementu klasyfikacji ogniowej.

Gotowy element próbny umieszczany jest w specjalnym piecu do badań. W jego środku znajdują się termoelementy umożliwiające prowadzenie pieca według jednej z wymienionych powyżej krzywych nagrzewania oraz czujka pozwalająca na utrzymanie w piecu zgodnego z normą ciśnienia. Jeżeli element oceniany jest pod względem izolacyjności ogniowej, do jego nienagrzewanej powierzchni mocowane są termoelementy służące do pomiaru przyrostu temperatury średniej i maksymalnej. Podczas badania sprawdzane są wspomniane powyżej kryteria skuteczności działania. Szczelność ogniowa weryfikowana jest wizualnie lub za pomocą szczelinomierzy i tamponu bawełnianego. Uznaje się, że jest zachowana jeżeli:

  • penetracja (szczelinomierzem grubości 25 lub 6 mm na długości 150 mm) powstałej w wyniku działania ognia szczeliny nie była możliwa;
  • nie wystąpiło utrzymanie się płomienia po stronie nienagrzewanej (nie pojawił się tam ogień ciągły, trwający dłużej niż 10 s);
  • tampon bawełniany nie ulegnie zapaleniu przez 30 s od momentu przyłożenia go do elementu próbnego.

Izolacyjność ogniowa sprawdzana jest poprzez termoelementy zamocowane do nienagrzewanej powierzchni elementu próbnego oraz przy użyciu termoelementu ruchomego w miejscach, w których zachodzi prawdopodobieństwo przekroczenia kryterium. Na rysunkach przedstawiono przykładowe wyniki przyrostów temperatur na szybach i profilach dla fasad szklanych o przewidywanej klasie odporności ogniowej EI 30 oraz różnych przypadkach nagrzewania.
Promieniowanie sprawdzane jest za pomocą radiometru ustawionego w odległości 1 m od geometrycznego środka nienagrzewanej powierzchni elementu próbnego. Zakończenie badania może nastąpić, jeśli osiągnięte zostaną wybrane kryteria odporności ogniowej lub gdy życzy sobie tego zleceniodawca badania, a także kiedy dalsze jego prowadzenie stanowi zagrożenie dla personelu lub wyposażenia badawczego.

 fasada szklana o deklarowanej odporności ogniowej EI 30
Autor: archiwum ITB Przykładowy wykres przyrostów średnich temperatur dla największej tafli szklanej – fasada szklana o deklarowanej odporności ogniowej EI 30 (nagrzewanie od wewnątrz)
wykres przyrostów średnich temperatur na profilach – fasada szklana
Autor: archiwum ITB Przykładowy wykres przyrostów średnich temperatur na profilach – fasada szklana o deklarowanej odporności ogniowej EI 30 (nagrzewanie od wewnątrz)
fasada szklana o deklarowanej odporności ogniowej EI 30 (nagrzewanie od zewnątrz)
Autor: archiwum ITB Przykładowy wykres przyrostów średnich temperatur dla największej tafli szklanej – fasada szklana o deklarowanej odporności ogniowej EI 30 (nagrzewanie od zewnątrz)
wykres przyrostów temperatur maksymalnych na profilach – fasada szklana
Autor: archiwum ITB Przykładowy wykres przyrostów temperatur maksymalnych na profilach – fasada szklana o deklarowanej odporności ogniowej EI 30 (nagrzewanie od zewnątrz)

Bezpieczeństwo pożarowe - podsumowanie

W nowoczesnym budownictwie fasady szklane są powszechnie stosowane jako zewnętrzne ściany budynków. Są to najczęściej słupowo-ryglowe konstrukcje szkieletowe, w których przestrzenie pomiędzy metalowymi lub drewnianymi profilami wypełnia się przeszkleniami. Tym ostatnim, z uwagi na obowiązujące przepisy, często stawiane są wymagania związane z odpornością ogniową. Nie można jej ocenić czy też obliczyć na podstawie samego projektu fasady lub innej specyfikacji, dlatego niezbędne jest przeprowadzenie badania w zakresie odporności ogniowej według odpowiedniej normy. Na jej klasę może wpływać wiele czynników, np.: rodzaj zastosowanych profili szkieletu oraz ich wkładów izolacyjnych (w przypadku profili metalowych), sposób mocowania profili do stropu, rozstaw pomiędzy punktami mocowań, a także rodzaj wykorzystanego szkła, rozmiary tafli szklanych, współczynnik kształtu szyb oraz rodzaj i sposób zamocowania użytych przeszkleń. Należy pamiętać, że nawet niewielka i pozornie nieistotna zmiana konstrukcyjna w danej fasadzie szklanej może w znaczący sposób wpłynąć na jej właściwości związane z odpornością ogniową. Dlatego też określenie rzeczywistej klasy dla danej fasady szklanej możliwe jest wyłącznie na podstawie wyników badań odporności ogniowej jej elementów próbnych.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej