Bezpieczeństwo pożarowe dachów

Dach to element konstrukcyjny budynku zabezpieczający go przed niekorzystnym wpływem czynników atmosferycznych oraz zapewniający bezpieczne użytkowanie obiektu, pod warunkiem solidnego wykonania.

Specyfika pożarów dachów

Najczęstsze przyczyny pożarów dachów to:

• przeniesienie się ognia z palącego się ocieplenia ścian zewnętrznych,
• przedostanie się ognia z płonących pomieszczeń znajdujących się bezpośrednio pod dachem,
• prowadzenie prac stwarzających zagrożenie pożarowe i używanie otwartego ognia, np. zgrzewanie, spawanie itp.,
• przeniesienie pożaru z budynku sąsiedniego.

Konsekwencją pożaru dachu jest narażenie wnętrza budynku na działanie niekorzystnych czynników atmosferycznych (śnieg, deszcz, ujemna temperatura), a także zalanie wodą kondygnacji w czasie prowadzenia akcji gaśniczo-ratowniczej, co z kolei powoduje zniszczenie mienia.
Wg Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690) wszystkie elementy budynku (w tym również jego konstrukcja dachowa) oraz wyposażenie powinny być wykonane w taki sposób, by w razie pożaru: zapewnić nośność konstrukcji przez określony czas, umożliwiając tym samym ewakuację ludności, ograniczyć rozprzestrzenianie się ognia i dymu w płonącym obiekcie i na obiekty sąsiednie oraz zapewnić bezpieczeństwo ekipom ratowniczym. Wszystkie te warunki są zapewne spełnione, kiedy pamięta się o nich już na etapie projektowania obiektu. Zgodnie z tym Rozporządzeniem, odporność na ogień przez długi czas musi mieć nie tylko konstrukcja, lecz także jej poszczególne elementy.

Charakterystyka przeciwpożarowa przekryć warstwowych

Dachy, jako konstrukcje warstwowe, są wykonywane w różnych układach warstw, zależą one też od tego, czy jest to dach płaski, czy spadzisty. Najczęściej spotykane konstrukcje nośne dachów to:

• konstrukcje stalowe,
• konstrukcje żelbetowe,
• konstrukcje drewniane.

Obiekty wznoszone jako konstrukcje stalowe lub stalowo-żelbetowe są obecnie bardzo popularne, szczególnie w przypadku dużych inwestycji. Część nośną konstrukcji dachowej stanowią dźwigary stalowe lub płyty żelbetowe. Budowa ze stali jest szybka, wygodna i stosunkowo niedroga. Stwarza ogromne możliwości dla rozwiązań architektoniczno-projektowych, dodatkową zaletą wykorzystywanego materiału jest to, że się nie pali. Choć rzeczywiście stal się nie zapala, to jest bardzo wrażliwa na wysokie temperatury.
Ulega ona rozżarzeniu i deformacji, a co najważniejsze – wskutek podgrzania obniża się jej plastyczność. Stal obciążona naprężeniami rozciągającymi traci plastyczność już w temperaturze 500°C (oczywiście uzależnione jest to od gatunku stali). Nie jest ona wtedy zdolna do przenoszenia dalszych obciążeń. Osiągając granicę plastyczności, wyczerpuje swoją nośność i cała konstrukcja ulega odkształceniom, a następnie zniszczeniu. W zależności od przeznaczenia budynku istnieje możliwość zwiększenia odporności na ogień konstrukcji stalowej.

Do ochrony konstrukcji stalowych przed ogniem stosuje się zazwyczaj:

• odporną na ogień mineralną wełnę kamienną,
• odporne na ogień płyty gipsowo-kartonowe,
• farbę przeciwpożarową,
• różnego rodzaju pianki, zaprawy i inne materiały natryskowe.

Każdy z tych materiałów spełnia swoje zadanie, jednak nie każdy pozwala na zachowanie wyglądu architektonicznego obiektu. W przypadku wymaganej wysokiej odporności ogniowej (np. 60–90 minut) zastosowanie wełny mineralnej i płyt g-k będzie na pewno rozwiązaniem tańszym. Jest jednak coraz więcej obiektów, których konstrukcja stalowa jest widoczna i decyduje o ich wyglądzie architektonicznym. W takich przypadkach zastosowanie farby przeciwpożarowej jest jedynym rozwiązaniem. Dostępne są farby, które można stosować do profili stalowych otwartych i zamkniętych. Ich producenci określają w kartach technicznych wyrobów minimalną grubość warstwy, dzięki której uzyskuje się wymaganą odporność ogniową przy danej masie krytycznej konstrukcji. Spowodowane jest to tym, że w przypadku pożaru, pod wpływem podwyższonej temperatury farba pęcznieje. Jej struktura wewnętrzna rozszerza się (nawet do kilku mm), warstwa wierzchnia ulega zwęgleniu i przez określony czas chroni stal przed rozgrzaniem się do temperatury, w której konstrukcja osiągnęłaby punkt krytyczny. Oznacza to, że warstwa farby powinna być tym grubsza, im wyższa klasa odporności musi być spełniona oraz im mniejszy jest przekrój konstrukcji stalowej (ma ona wtedy większą masę krytyczną – szybciej ulega zniszczeniu). 

Beton jest mniej wrażliwy na wysokie temperatury niż stal. Dachy o konstrukcji żelbetowej mają inną specyfikę odporności ogniowej. Spowodowane jest to tym, że beton w temperaturze do 200°C ma niewielki spadek wytrzymałości. W temperaturze do 500°C jego wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie gwałtownie spada, może zmniejszyć się o 50%. Jednak należy pamiętać,
że konstrukcje dachów z elementem nośnym żelbetowym zbudowane są również z innych elementów osłaniających tę część. Funkcję osłonową i izolacyjną elementów nośnych takiej konstrukcji, często pełnią niepalna wełna mineralna i płyty gipsowo-kartonowe. Dzięki tym materiałom wysoka temperatura panująca podczas pożaru nie dochodzi do rdzenia elementu nośnego. Wzrost temperatury jest powstrzymywany, aby można było przeprowadzić akcję gaśniczą oraz by konstrukcja nie uległa całkowitemu zniszczeniu.

Dachy o konstrukcji drewnianej różnią się od stalowych i żelbetowych tym, że drewno klasyfikowane jest jako materiał palny. Spalanie drewna jest bardzo specyficzne i przebiega w kilku etapach. Na początku zwęgleniu ulega powierzchnia drewna, proces ten postępuje równomiernie, a sypkość części zwęglonych zależy od gatunku drewna. Warstwa ta ma niską przewodność cieplną, dzięki czemu ogranicza dopływ tlenu do wnętrza elementu, który jeszcze nie uległ zwęgleniu. Jednocześnie w sytuacji braku dostępu tlenu spowolniony zostaje przyrost temperatury. Dzięki temu drewniana konstrukcja jest w stanie przez jakiś czas przenosić obciążenia eksploatacyjne.
W elemencie drewnianym można rozróżnić pięć warstw uzależnionych od poziomu temperatury (wyszczególnienie od strony zewnętrznej – płonącej):

• warstwa żarząca – temperatura przekracza 1100°C – węgiel drzewny ulega spaleniu, wydzielając substancje lotne,
• warstwa całkowicie zwęglona – temperatura przekracza 280°C – drewno zwęgla się,
• warstwa wstępnego zwęglania – temperatura 200–280°C,
• obrzeże jądra – temperatura 100–200°C – rozpoczyna się proces pyrolizy, czyli rozkładu chemicznego pod wpływem wysokiej temperatury, bez dostępu tlenu i innych substancji utleniających,
• rdzeń elementu – temperatura nie przekracza 100°C – jądro, które nie uległo zwęgleniu.

Zapalność drewna jest różna w zależności od jego właściwości fizycznych oraz zastosowanych impregnatów. Wyróżnia się:

• drewno łatwopalne – drewno miękkie, np. sosnowe i świerkowe, o gęstości poniżej 650 kg/m3, niezabezpieczone powłokami ogniochronnymi,
• drewno trudno zapalne – drewno twarde drzew liściastych (gęstość >800 kg/m³),
• materiały drewnopochodne niezapalne – twarde płyty wiórowo-cementowo oraz tzw. trocinobeton – materiały te ulegają zwęgleniu.

W wyniku działania ognia, podczas zwęglania, przekrój poprzeczny belek drewnianych ulega wyraźnemu zmniejszeniu. Średnio podaje się, że drewno lite zwęgla się z prędkością 0,8 mm/min, natomiast klejone warstwowo – 0,6 mm/min. Każdorazowo w przypadku zbyt małych przekrojów poprzecznych elementów konstrukcyjnych z drewna powinno się stosować zabezpieczenia ogniochronne, np. płyty gipsowo-kartonowe, lub inne jak w przypadku konstrukcji stalowych.

Oznaczenia w tabeli:
R - nośność ogniowa; E - szczelność ogniowa; I - izolacyjność ogniowa; (-) nie wymaga się, np. REI 60 oznacza, że nośność, szczelność i izolacyjność ogniowa muszą być zachowane przez 60 minut; ⁽¹⁾ jeżeli przegroda jest częścią głównej konstrukcji nośnej, powinna spełniać także kryteria nośności ogniowej R; ⁽²⁾ wymagania nie dotyczą naświetli dachowych, świetlików, lukarn i okien połaciowych, jeśli otwory w połaci dachowej nie zajmują więcej niż 20% jej powierzchni.

Objaśnienia:

(1) rozgorzenie - gwałtowne rozprzestrzenienie się ognia, któremu towarzyszy skokowy wzrost temperatury; (2) FIGRA - (z ang.Fire Growth Rate) - współczynnik rozwoju pożaru, przyrost szybkości wydzielania energii.

Wymogi odporności ogniowej przekryć

Wymagania w zakresie odporności ogniowej przekryć budynków, w odniesieniu do układu warstwowego dachu, uzależnione są od klasy odporności pożarowej budynku. Wymagania te określa Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690). Budynki zakwalifikowane do klasy odporności ogniowej A i B powinny mieć konstrukcję dachu o odporności ogniowej R 30 oraz analogicznie przekrycie dachu o odporności – E 30. Natomiast budynki o klasie odporności ogniowej C charakteryzują się odpornością ogniową konstrukcji dachu R 15 i jego przekrycia – E 15. Elementy budynków powinny zatem w zakresie odporności ogniowej spełniać wymagania podane w tab. 1.
Po wejściu Polski do Unii Europejskiej zaczęła obowiązywać nowa klasyfikacja ogniowa dla materiałów budowlanych – tzw. euroklasy (tabela 2). Opisują one jednoznacznie klasyfikacje materiałów budowlanych ze względu na:

• ilość i szybkość wydzielania energii podczas spalania,
• czas, w ciagu którego dochodzi do zapalenia wyrobu od momentu kontaktu z płomieniem,
• szybkość i zasięg rozprzestrzeniania płomieni.

W § 218 ust. 1 i ust. 2 Rozporządzenia określono wymagania dotyczące elementów konstrukcji i przekrycia dachu budynku w zależności od jego usytuowania względem innych zabudowań. W przypadku, gdy budynek niższy przylega do budynku wyższego lub jest oddalony od niego nie dalej niż 8 m, określa się, że: przekrycie obiektu niższego (o szer. pasa 8 m przyległego do budynku wyższego) powinno mieć klasę odporności ogniowej E 30, a konstrukcja – R 30. Przepisy ograniczają możliwość przedostania się pożaru z jednego budynku na drugi oraz spowodowania pożaru niższego obiektu, np. na skutek wyrzucenia palących się przedmiotów z budynku wyższego.

Wymogi te określa § 219 Rozporządzenia. Przekrycie takiego budynku powinno być wykonane z materiałów nierozprzestrzeniających ognia, a jego część nośna – z niepalnych. W przypadku, gdy wewnątrz budynku lub na jego części nośnej jest umieszczona palna izolacja cieplna, klasa odporności ogniowej tej części powinna być nie niższa niż E 15. Ponadto w budynkach użyteczności publicznej (ZL III, wg § 209 p. 2), mieszkalnych (ZL IV, wg § 209 p. 2) oraz zamieszkania zbiorowego (ZL V, wg § 209 p. 2) klasa odporności ogniowej dla stropów w budynku, w których znajdują się dwa mieszkania, powinna wynosić REI 30. Powyższe wymagania mają na celu zapobieganie przeniesieniu się ognia z palących pomieszczeń na dach oraz z dachu do wnętrza budynku na skutek rozszczelnienia części nośnych.

W czasie pożaru zagrożeniem dla ludzi, poza utratą nośności konstrukcji, są także:

• wydzielający się dym, który jest toksyczny, duszący, ogranicza widoczność (a tym samym możliwość sprawnej ewakuacji i szybkiego zlokalizowania źródła zapłonu),
• dwutlenek węgla (CO2), toksyczny i szczególnie niebezpieczny, ponieważ jest niewidoczny
  i bezzapachowy,
• wysoka temperatura, która może przyrastać w bardzo szybkim tempie.

By zmniejszyć tego rodzaju zagrożenia, należy stosować różne środki oddymiania i wentylacji. Użycie systemu oddymiania pozwala na szybszą lokalizację źródła pożaru i sprawniejszą ewakuację ludności. Jedną z dróg rozprzestrzeniania się pożaru jest konwekcja, czyli transport ciepła przez dym i podgrzane gazy. Podczas pożaru powstające gazy są lżejsze od powietrza, w wyniku czego przemieszczają się pionowo w górę budynku. Wynikiem konwekcji jest zatem gromadzenie się dymu i ogrzanego powietrza w górnych częściach pomieszczeń. Poprzez wentylację budynku i oddymianie połaci dachowych można pozbyć się dymu – a co za tym idzie energii cieplnej transportowanej razem z nim. Dzięki urządzeniom oddymiającym obniża się temperatura w pomieszczeniach, co zmniejsza ryzyko zniszczenia konstrukcji dachu oraz umożliwia ewakuację. Wśród urządzeń oddymiających, zaliczanych wg Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 21.04.2006 r. do urządzeń przeciwpożarowych, wyróżnia się: urządzenia do grawitacyjnego usuwania dymu (klapy dymowe, okna oddymiające) i urządzenia do usuwania mechanicznego (wentylatory, przewody wentylacyjne). Często konieczność zamontowania tego typu urządzeń wynika bezpośrednio z projektu. Aby zapewniały one bezpieczeństwo, powinny mieć one odpowiednią jakość i być zgodne z PN-EN 12101.

Źródła
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690) oraz zmieniające to rozporządzenie – Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 19.03.2009 r.
2. Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 21.04.2006 r. (ochrona przeciwpożarowa budynków, obiektów budowlanych i terenów).
3. Norma PN-EN 13501-2:2005 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Klasyfikacja na podstawie badań odporności ogniowej, z wyłączeniem instalacji wentylacyjnej.
4. Norma PN-EN 12101 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła.
5. Norma PN-EN 13162 Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby z wełny mineralnej (MW) produkowane fabrycznie. Specyfikacja.
6. Norma PN-B 02840:1991 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Normy i określenia.