Ognioodporność domów z drewna
W powszechnie krążącej opinii domy z drewna posiadają bardzo mała odporność ogniową. Z góry jednak trzeba tę opinię zdecydowanie odrzucić.
Zasadniczym elementem zwiększającym odporność ogniową konstrukcji szkieletowej jest poszycie płytą gipsowo-kartonową. Gips w takiej płycie zawiera znaczną ilość wody związanej krystalicznie, jak równie wodę niezwiązaną, w zależności od wilgotności. Pod wpływem wzrastającej temperatury, zostaje odparowana woda niezwiązana, po czym następuje rozpad kryształów, uwolnienie i odparowanie wody krystalicznej. Wszystkie te procesy pochłaniają znaczne ilości ciepła, chroniąc wnętrze ściany bądź stropu przed gwałtownym wzrostem temperatury. Ochrona ta odbywa się kosztem płyty gipsowej, która traci wytrzymałość mechaniczną, kurczy się, pęka i w końcu odpada od szkieletu. Kurczenie się płyty jest znaczne, dochodzące do 10 % w przypadku płyty nie zamocowanej. W normalnym zastosowaniu, przy wystarczającej ilości gwoździ lub wkrętów mocujących do szkieletu, w płycie powstają liczne drobne pęknięcia, kompensujące kurczenie się i zapobiegają wczesnemu powstawaniu znacznych szczelin. Ważne jest więc przestrzeganie maksymalnych odległości pomiędzy wkrętami lub gwoździami. Istotna jest również ich penetracja w głąb drewnianych elementów szkieletu. Elementy te, w trakcie pożaru, ulegają zwęgleniu na znaczną głębokość zanim poszycie gipsowe całkowicie odpadnie. Badania kanadyjskie wykazały, że aby w pełni wykorzystać ochronę zapewnioną przez płytę gipsową, potrzebna jest penetracja 25 do 32 mm w głąb drewna. Penetracja profili blaszanych jest mniej istotna, 10 mm jest całkowicie wystarczające. Ze względu na kurczenie się poszycia gipsowo-kartonowego, istotny jest również rozstaw między elementami szkieletu, zdecydowanie wyższa odporność ogniową uzyskuje się przy rozstawie 400 mm niż przy rozstawie 600 mm.
Dwa rodzaje płyty używane są do poszycia przegród: zwykła i o podwyższonej odporności ogniowej, określana jako Typ X. Płyta ta zawiera dodatkowe składniki, głównie cięte włókno szklane, które zapewnia większą stabilność w podwyższonej temperaturze, większą wytrzymałość na styku z główką gwoździa lub wkrętu i wyższą odporność na pękanie.
W przegrodach pionowych – ścianach – im grubsza jest płyta, tym większa jest odporność ogniowa. W przegrodach poziomych – stropach – zależność ta nie jest jednoznaczna, ze względu na ciężar i łatwość odpadania osłabionej pożarem płyty. Aby uzyskać zwiększoną odporność ogniową, należy zwiększyć gęstość elementów mocujących.
Wpływ izolacji cieplno-akustycznej
Wypełnienie szkieletu izolacją ma niejednoznaczny i dość zaskakujący wpływ na odporność ogniową. Wydawać by się mogło, że zwiększenie izolacyjności cieplnej przegrody powinno jednoznacznie zwiększyć jej odporność ogniową. Tymczasem okazuje się, że powstrzymanie strumienia ciepła przyspiesza wzrost temperatury warstwy bezpośrednio wystawionej na działanie pożaru. Jeżeli tą warstwą jest płyta gipsowo-kartonowa, to jej zniszczenie jest przyspieszone i wnętrze przegrody zostają odsłonięte wcześniej. Jeżeli izolacją jest wata szklana, to zostaje ona stopiona i przestaje grać jakakolwiek rolę (po uprzednim przyspieszeniu zniszczenia poszycia). Jeżeli jest to wełna bazaltowa, lub inna o podobnej temperaturze topnienia, to osłania ona wnętrze konstrukcji, nie chroniąc jednak „czołowych” powierzchni konstrukcji szkieletu. Tak więc izolacja może zmniejszyć lub zwiększyć odporność ogniową; dla zgrubnej oceny, można ten wpływ pominąć. Dokładne oceny możliwe są wyłącznie na podstawie badań danej konstrukcji.
Materiał szkieletu
W północno-amerykańskiej praktyce, materiały szkieletu ograniczone są do drewna grubości 38 mm, profili z galwanizowanej blachy stalowej i dwuteowych belek składanych z elementów drewnianych i drewnopochodnych.
Drewno ma zdecydowaną przewagę w odniesieniu do ogniowej odporności elementów przenoszących obciążenie. Jakkolwiek ulega ono nadpaleniu i zwęgleniu, to utrzymuje ono zdolność do przenoszenia obciążeń dopóty, dopóki przekrój nie zostanie znacznie zredukowany. Nadpalenie i zwęglenie typowych elementów z drewna iglastego odbywa się w tempie 0,5 do 0,8 mm na minutę.
Profile z blachy stalowej nagrzewają się bardzo szybko i tracą sztywność. W związku z tym ich nośność spada gwałtownie po zniszczeniu osłaniającej ją płyty gipsowo-kartonowej. Jeżeli nie są one obciążone, tak jak w ściankach działowych, lub wypełnieniach konstrukcji nośnej dużych budynków, to mogą spełnić swoje zadanie przez znaczny okres czasu. W takich zastosowaniach, należy uwzględniać rozszerzalność cieplną i przewidzieć odpowiednie luzy, aby uniknąć przedwczesnego wyboczenia.
Stosunkowo nowym elementem szkieletu jest belka dwuteowa z półkami z litego drewna i środnikiem z płyty drewnopochodnej, łączonych na klej. Wytrzymałość ogniowa takich belek jest niższa od tradycyjnych, jednolitych belek drewnianych. Jest to spowodowane brakiem „zapasowej” nośności cienkiego środnika. W litej belce naprężenia są stopniowo przekazywane głębszym warstwom drewna w miarę redukcji przekroju, podczas gdy w profilu dwuteowym przepalenie środnika lub znaczne nadpalenie jednej półki powoduje katastrofalną utratę nośności.
Poszycie drewnopochodne
W Ameryce Północnej stosuje się dwa rodzaje materiałów drewnopochodnych jako poszycie konstrukcji szkieletowych: sklejkę wodoodporną i płytę wiórową o ukierunkowanych włóknach (OSB). Oba te materiały wykazują podobną wytrzymałość mechaniczną i odporność na wilgoć w normalnym użytkowaniu, mimo że płyta wiórowa budzi swym wyglądem mniej zaufania. Płyta wiórowa zawiera znacznie więcej kleju niż sklejka wodoodporna, jak również wosk (dla odporności na wilgoć), co powoduje wydzielanie znacznych ilości dymu przy spalaniu. Jednakowoż, pod względem odporności ogniowej, materiały te nie różnią się w zauważalny sposób.
W ścianach płyty drewnopochodne instaluje się od strony zewnętrznej (pod siding), jak zewnętrzne ograniczenie dla izolacji. Instaluje się je również jako wzmocnienie (usztywnienie ścian obciążonych siłami ścinającymi). W tych przypadkach mogą te płyty być instalowane od wewnątrz i być kryte płytą gipsowo-kartonową. W konstrukcjach stropowych stanowią one górną warstwę zespoloną z belkami podłogowymi gwoźdźmi lub wkrętami, coraz częściej z użyciem kleju.
Zespół stropowy, za wyjątkiem niewykończonych piwnic, jest poszyty od spodu płytą gipsowo-kartonową. W pożarze konstrukcja stropu, ograniczająca pomieszczenie od góry, jest znacznie bardziej narażona niż ta ograniczająca od dołu. Z tego względu odporność ogniową stropów wyznacza się przy ekspozycji od dołu. Oznacza to, że poszycie płytą gipsowo-kartonową jest i w tym przypadku pierwszą linią obrony przed ogniem.
Grubość słupków drewnianych wynosi 38 mm, głębokość zaś nie jest oznaczona, gdyż nie ma ona istotnego wpływu na odporność ogniową. Obciążenie ścian nośnych odpowiada obciążeniu obliczeniowemu ścian o danej głębokości słupka.
Tabela 2 przedstawia odporność ogniową typowych ścian o szkielecie stalowym, pokazanych na rysunku 2, w różnych konfiguracjach poszycia. Asymetryczne poszycie (podwójna warstwa z jednej strony i pojedyncza z drugiej) jest używane w ściankach działowych o znanym kierunku potencjalnej ekspozycji pożarowej. Stosuje się je przy zabezpieczeniu dróg ewakuacyjnych, gdyż wiadomo, że potencjalne zagrożenie jest od zewnętrznej strony ewakuacyjnej.
Rysunek 3 przedstawia strop o odporności ogniowej 1 godziny i dobrych właściwościach akustycznych. Dobre tłumienie dźwięków zapewnia masa zarówno wylewki jak i dwóch warstw poszycia płytą gipsowo-kartonową. Dodatkowo przestrzeń między belkami może być wypełniona watą mineralną, która dodatkowo zwiększa tłumienie widma dźwiękowego, ma jednak niewielki wpływ na odporność ogniową.
Określa się również odporność ogniową membran sufitowych w sufitach podwieszonych. Odporność ta wynosi 30 min. dla pojedynczej warstwy płyty Typu X o grubości 15,9 mm; 45 min. dla dwóch warstw o grubości 12,7 mm każda i 60 min. dla dwóch warstw o grubości 15,9 mm. W odróżnieniu od stropów, membrany sufitowe nie przenoszą obciążeń poza ciężarem własnym.
