Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych

1. Wstęp

Nie można w prosty sposób opisać zachowania się materiału w czasie pożaru. Istnieją dwie zasadnicze jego fazy: faza rozwoju ognia oraz faza rozwiniętego ognia. Parametry materiału muszą być podzielone ze względu na te dwie fazy. Faza rozwoju ognia łączy się z szeregiem zjawisk, takich jak palność, łatwość zapłonu, szybkość rozprzestrzenia się ognia/płomienia po powierzchni jak również szybkość oddawania ciepła.

W pełni rozwinięty pożar oznacza, że wszystkie palne materiały zostały zajęte prze ogień. Pożądaną właściwością jest zachowanie nośności materiału w obrębie pożaru bez rozprzestrzeniania ognia poza strefę źródłową, bez ucieczki gorących gazów lub płomieni oraz bez rozprzestrzeniania ciepła na sąsiednie strefy nie objęte pożarem. Zdolność do przeciwstawiania się działaniu w pełni rozwiniętego ognia jest popularnie nazywana odpornością ogniową, ale w ogólności odnosi się go zazwyczaj tylko do elementu konstrukcji, nie zaś do materiału. Nośność nawet tak prostego elementu jak słup czy belka zależy przecież od m.in. od warunków podparcia, rozkładu I intensywności obciążenia.

Rozważając zachowanie się materiałów drewnopochodnych i litego drewna w czasie rozwijającego się pożaru zauważamy, że te pierwsze płoną, przez co kwalifikujemy je jako palne. Podczas gdy palna natura może być modyfikowana za pomocą pokryć czy impregnatów solnych, to żaden z tyś środków nie może uczynić drewna niepalnym – co najwyżej może ten proces opóźnić. Lite drewno nie wykazuje tendencji do zapłonu – znane jest tylko kilka przypadków, kiedy to drewno uległo pierwsze zapłonowi. Lite drewno wymaga, i to przez relatywnie długi czas, temperatury powierzchni do zapłonu rzędu 400‘C, bez zewnętrznego (inicjującego) płomienia, oraz ok. 30013 przy obecno ści płomienia. Wartości rzeczywiste są powiązane z gęstością, gatunkiem, zawartością wilgoci i czynnikiem kształtu/przekroju.

Drewno, będąc materiałem palnym, rozprzestrzenia ogień po swojej powierzchni na zasadzie zapłonu kolejnych, sąsiednich jej fragmentów. Jednak ze względu na trudność zapłonu, prędkość rozprzestrzeniania ognia po jego powierzchni jest niezbyt wielka, jak na materiał palny. Niemal wszystkie kraje dopuszczają do stosowania w zastosowaniach o niskim ryzyku drewno nie impregnowane. Szybkość uwalniania ciepła przez drewno jest oczywiście zależne od warunków początkowych, dostępności tlenu, a także gęstości, kształtu oraz rozmiaru elementu. Kraje europejskie opracowały własne zasady testowania elementów drewnianych oparte na powyższych parametrach, przez co nie ma wspólnych zasad pozwalających na ocenę ognioodporności drewna. Wszystkie kraje dopuszczają stosowanie drewna w wielu aplikacjach, zaznaczając, że jego zachowanie (w pożarze) nie jest szczególnie niebezpieczne.

Gdy drewno albo materiały drewno-pochodne są wystawione na działanie w pełni rozwiniętego ognia, wykazują wiele pożądanych cech. Podczas gdy odsłonięte powierzchnie zapalą się przy wystarczająco wielkim strumieniu ciepła, i początkowo spala się dosyć energicznie, to jednak szybko tworzy warstwę izolującą węgla drzewnego, patrz Rys. 1. Ponieważ drzewo jest złym przewodnikiem ciepła to mamy do czynienia z bardzo słabym przenoszeniem ciepła do pozostałego nie spalonego materiału. Daje to wiele korzyści.

Rys. 1. Zamiany w drewnie na skutek działania ognia

W przypadku litego drewna, przekrój rdzenia pozostaje chłodny stosunkowo blisko strefy spalania. W konsekwencji, temperatura tkwiącej głęboko części jest niska i konstrukcja nie musi „równoważyć” szkód termicznych. Co więcej, ponieważ rdzeń pozostaje chłodny, zachowane są wszystkie fizyczne właściwości drewna (w stanie chłodnym) i jakakolwiek strata nośności jest efektem zredukowanego przekroju poprzecznego, a nie zmiany w właściwości fizycznych. Gdy są stosowane drewno-pochodne materiały osłonowe, zarówno w elementach konstrukcyjnych jak i okładzinowych, niska przewodność cieplna uniemożliwia ciepłu łatwe przeniesienie z gorącej do zimnej strony konstrukcji.

W pełni rozwinięty ogień jest scharakteryzowany w testach przed standardową krzywą temperaturowa-czas, pokazaną w ISO 834 (patrz Rys. 2) albo równoważną normę krajową. Istotne kryteria to:

• nośność (elementów oddzielających i nie oddzielających)
• integralność (elementy oddzielające)
• izolacyjność (oddzielające)

Krytyczne ugięcie i prędkości ugięcia są zwykle podane jako kryteria nośności. Jej spełnienie ogólnie jest ocenione za pomocą rozwinięcia szczelin nadmiernej wielkości (ustalane lokalnie) albo zapłonu włókna bawełnianego. Izolacja jest uznana za zachowaną, jeśli średnia temperatura sięgnie 140°C albo maksymalny wzrost 180°C jest przekroczony.

Drewno straci nośność jedynie wtedy, gdy przekrój poprzeczny nie zniszczony ogniem jest zredukowany do wielkości, przy której naprężenie w pozostałej części, poddane temu samemu obciążeniu, przekracza wytrzymałość drewna.

Rys. 2. Typowa krzywa czas-temperatura (w czasie pożaru) wg ISO

Materiały oparte na drewnie nie pękną oraz nie skurczą do czasu, gdy drewno nie będzie na tyle cienki, że niemal przepalone. Zachowanie drewna jest do przewidzenia tylko wtedy, kiedy jest wystawiony na działanie w pełni rozwiniętego ognia.

Wiele rezultatów badań drewna wykazało liniowy związek pomiędzy głębokością zwęglania a czasem. Dlatego też można przyjąć stałą prędkość zwęglania do obliczeń odporności ogniowej drewna. Następujące prędkości zwęglenia beta 0, pokazane w Tabeli 1, mogą być używane w prostych metodach konstrukcyjnego projektowania ogniowego, bez potrzeby uwzględniania zaokrąglania brzegów. Stąd resztkowy głęboki przekrój poprzeczny jest rozważony jako prostokątny w obliczeniach odporności ogniowej. Dokładniejsza ocena resztkowego przekroju poprzecznego uwzględniająca zaokrąglenie brzegów prowadzi do wolniejszych prędkości zwęglenia.

Tab. 1 Obliczeniowe prędkości zwęglenia p₀ (gdzie t_p : grubość elementu, a: szerokość lub wysokość przekroju)

Dla wielu blisko upakowanych warstw prędkość zwęglenia może być obliczona w oparciu o grubość całkowitą.

2. Odporność ogniowa elementów drewnianych

Ogólnie, obliczenia odporności ogniowej podlegają takim samym zasadom, jak zwykłe projektowanie. Oznacza to, że stosuje się wartości charakterystyczne zarówno obciążeń jak i właściwości materiałowych.

2.1. Weryfikacja

Efekt oddziaływań E(t) oraz odporności elementów drewnianych R(t) podczas ekspozycji na ogień pokazano na rys. 3. Odporność graniczna jest osiągnięta w czasie t_f kiedy R(t) staje się mniejsze niż E(t). Z tego powodu weryfikację projektową przeprowadza się dla E_f,_d < R_f,_d .

Temperatura aktualnej linii zwęglenia (ang. charline) jest rzędu 3000. Linia ta wyprowadzona z fi₀ może być przyjęta na poziomie 20010. Dla ekspozycji ogniowej dłu ższej niż 20 minut, temperatury otoczenia są osiągnięte w odległości poniżej linii zwęglenia, co jest stałe dla danego czasu ekspozycji. Odległość ta to około 30mm od linii zwęglenia (ok. 25mm dla linii odniesionej do p₀)- Kształt profilu temperatury pokazano na rysunku 4.

Rys. 4. Profil temperatury dla b_r>2a₀

2.2. Odporność ogniowa połączeń

Nośność połączeń wykonanych ze stali niezabezpieczonej przed ogniem jest znacznie obniżona przez działanie ciepła. Dookólne zabezpieczenie za pomocą drewna pozwala zabezpieczyć łączniki stalowe. Niezabezpieczone w ten sposób pole powierzchni łączników staje czynnikiem decydującym o ich zachowaniu w czasie pożaru.

W tabeli 2 podano wymiary i odległości dla niezabezpieczonych połączeń z odstępami typu drewno-drewno, spełniające minimalne wymagania podane w EC5: cz. 1-1, w zależności od czasu.

* t₁ jest grubością skrajnego elementu

Tab. 2 Czas odporności ogniowej niezabezpieczonych łączników z bocznymi elementami drewnianymi

Dla czasów ogniotrwałości większych niż te podane w Tabeli 2, ale nie więcej niż 30 minut, i używając połączenia na kołki, gwoździe albo wkręty z nie wystającymi główkami, wtedy grubości elementów bocznych, oraz odległości łączników od końca elementu i od krawędzi należy powiększyć o a_fi (patrz Rys. 5), dany jako:

a fi = b₀ × k _flux × (t _{f ,req} – t _fi,d )

Rys. 5. Dodatkowe grubości w połączeniu

4. Literatura

[1] EN 1995-1-2:2004, Design of Timber Structures – Part 1-2: General – Structural fire design

[2] Hartl, H.; “Fire resistance of timber members “, Chapter B17 from “STEP 1 – Timber Engineering“; First Edition, Centrum Hout, The Netherlands, 1995

Rozdział został opracowany przez: Petr KUKLíK, Department of Steel and Timber Structures, Czech Technical University in Prague / Czech Republik.

Artykuł pochodzi ze strony – http://fast10.vsb.cz/temtis/documents/handbook_1_PL_final.pdf