Szkło ogniochronne

Paleta materiałów wykorzystywanych w architekturze jest niezwykle szeroka – od betonu i kamienia poprzez stal, aluminium, tworzywa sztuczne, drewno po szkło. We współczesnej architekturze stało się wszechobecne. Stosowane jest jako element konstrukcyjny, a także istotny składnik ochrony przeciwpożarowej.

Szkło jest materiałem niepalnym. To jednak jeszcze za mało, by mogło odgrywać znaczącą rolę w biernej ochronie przeciwpożarowej budynków. Wytrzymałość zwykłego szkła na zmianę temperatury, na przykład podczas pożaru, jest bowiem bardzo niska. Po kilku minutach ulega już całkowitemu zniszczeniu. Rosnąca rola szkła w architekturze determinowała jednak (i nadal determinuje) konieczność rozwoju technologii jego produkcji, a tym samym doskonalenia parametrów szkła, m.in. po to, by uczynić je bezpieczniejszym dla użytkowników obiektów. Obecnie w budownictwie stosuje się szkła o różnych właściwościach, np. szkło antywłamaniowe, kuloodporne, odporne na siłę eksplozji oraz – interesujące nas najbardziej – szkło chroniące przed ogniem. Wszystkie przeszklone elementy budynku, od których wymagana jest klasa odporności ogniowej, muszą być wykonane ze szkła ogniochronnego, umożliwiającego osiągnięcie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa pożarowego.

Aby dowiedzieć się, jak wygląda proces wytwarzania tego rodzaju szkła, zwróciłam się do ekspertów z firmy Polflam – polskiego producenta szkła ogniochronnego, bazującego na własnej innowacyjnej technologii, uznanej w kraju i za granicą.  

O wymaganiach

Przeszklenia ze szkła ogniochronnego są stosowane jako elementy ścian oddzielenia przeciwpożarowego, ognioodpornych ścian zewnętrznych, wewnętrznych i osłonowych, w tym do obudowy poziomych dróg ewakuacyjnych czy klatek schodowych, a także świetlików dachowych, schodów i podestów. Ostatnio zaś duże zainteresowanie obserwuje się w odniesieniu do możliwości zastosowania szkła ognioodpornego jako fragmentu stropów – co również jest możliwe.

Zgodnie z rozporządzeniem ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z 12 kwietnia 2002 r. (DzU nr 75, poz. 690, ze zm.)każdy budynek powinien być tak zaprojektowany i wykonany, by w razie pożaru zapewnić nośność konstrukcji przez założony czas, ograniczać rozprzestrzenianie się ognia i dymu wewnątrz obiektu i na sąsiednie budynki. Powinien też dawać możliwość ewakuacji ludzi oraz bezpieczeństwo ekipom ratowniczym. Odpowiednią nośność konstrukcji zapewniają określone elementy budynku. Zachowanie należytych warunków ewakuacji wymaga spełnienia nie tylko kryterium nośności ogniowej, lecz także szczelności i izolacyjności ogniowej przez te elementy, co wpływa również na prowadzenie skutecznej akcji ratowniczej.

Ściany i stropy stanowiące elementy oddzielenia przeciwpożarowego powinny być wykonane z materiałów niepalnych, a występujące w nich otwory obudowane przedsionkami przeciwpożarowymi lub zamykane za pomocą drzwi przeciwpożarowych bądź innego zamknięcia, przy czym łączna powierzchnia tych otworów nie powinna przekraczać 15% powierzchni ściany. Ponadto elementy budynku nie powinny rozprzestrzeniać ognia. W ścianach oddzielenia przeciwpożarowego wypełnienie materiałem przepuszczającym światło, takim jak luksfery czy inne przeszklenie jest dopuszczalne wówczas, gdy nie przekracza ono 10% powierzchni ściany oraz gdy ma odpowiednią klasę odporności ogniowej.

Szkło ognioochronne jest głównym elementem składowym przeszkleń ognioodpornych, jednak nie tylko ono decyduje o klasie odporności przegrody. Na odporność ogniową przeszklonej przegrody wpływa bowiem także sposób mocowania szkła do profilu przegrody oraz konstrukcji przegrody do elementu budynku, który również musi spełniać odpowiednie warunki, aby można było w nim zamontować przegrodę ognioodporną. Nie mniej ważny jest sposób mocowania ich do ścian i stropów. Przy czym warto zauważyć, że szkielet nośny przeszklenia ognioodpornego dotąd stanowiły konstrukcja drewniana, stalowa lub aluminiowa, jednak współcześnie coraz częściej pojawiają się też przeszklenia bez konstrukcji szkieletowej (bezramowe). Co więcej, ścianki ze szkła ognioodpornego same mogą być ścianami oddzielenia przeciwpożarowego, o ile nie przenoszą obciążeń.

Zgodnie ze wspomnianym rozporządzeniem, przekrycie dachowe budynków o klasie pożarowej A, B lub C powinno mieć klasę odporności ogniowej RE 30 (budynki A i B) lub RE 15 (budynek C). Rozporządzenie wskazuje ponadto, że jeśli fragmenty przeszklone w połaci dachowej zajmują ponad 20 proc. jej powierzchni, wówczas mają one mieć właściwości ogniochronne. A w przypadku sąsiadujących ze sobą budynków – nierozprzestrzeniające ognia powinno być przekrycie dachu budynku niższego, usytuowanego bliżej niż 8 m lub przyległego do ściany z otworami budynku wyższego w pasie o szerokości 8 m od tej ściany. Aby więc zastosowane w budynku świetliki dachowe spełniały w tego typu przypadkach wymagania ochrony przeciwpożarowej, muszą mieć klasę odporności ogniowej.

Przeciwpożarowe zamknięcia otworów, np. szklane drzwi przeciwpożarowe, muszą mieć odpowiednią klasę odporności ogniowej w stosunku do klasy odporności ogniowej elementu oddzielenia przeciwpożarowego. Tak samo jak w przypadku przeszkleń ognioodpornych bardzo ważną rzeczą w drzwiach przeciwpożarowych jest sposób montażu ościeżnicy do ściany oraz szkła w skrzydle drzwiowym.

Warto też zaznaczyć, że zastosowanie szkła ognioodpornego w fasadach pozwala niekiedy na znaczne zmniejszenie odległości między budynkami lub budynku od granicy działki. Pozwala także na zmniejszenie odległości drogi pożarowej od budynku.

Szkło ogniochronne, czyli co?

Na rynek szkła budowlanego trafia wiele typów szkła ogniochronnego, produkowanego w różnych technologiach. Monolityczne ma postać pojedynczej tafli szkła, które może być zbrojone stalową siatką. W czasie pożaru zachowuje ona przejrzystość – co ułatwia ratownikom prowadzenie akcji – jednak czas, w jakim wytrzymuje działanie płomieni, jest ograniczony do kilku minut. Szyby monolityczne stosowane są zazwyczaj w elementach, które nie muszą mieć klasy izolacyjności ogniowej – mają klasę E.

Szkło ognioochronne warstwowe składa się z dwóch lub więcej tafli, między którymi znajduje się warstwa ogniochronna ze specjalnego żelu (twardego lub miękkiego), mającego w zależności od producenta różny skład chemiczny. Przejrzystość szkła warstwowego w naturalnych warunkach jest zbliżona do tej, którą ma pojedyncza tafla o tej samej grubości. Warstwa żelu poprawia zaś dodatkowo izolacyjność akustyczną. - W czasie pożaru warstwa żelowa pochłania energię cieplną. Żel staje się matowy i stopniowo twardnieje, dzięki czemu stanowi skuteczną przeszkodę dla płomieni i wysokiej temperatury – mówi szef działu badań i rozwoju firmy Polflam. – Nie przepuszcza ciepła, a ponadto sprawia, że przeszklenie staje się sztywną przegrodą, która przez określony czas uniemożliwia rozprzestrzenianie się ognia i dymu – dodaje.

Poszczególne klasy szkła różnią się przede wszystkim grubością i ciężarem, ale – co istotne – w tej samej klasie szkła różne technologie dają szkło o różnych parametrach. Niezależnie od tego, szkło ogniochronne musi charakteryzować się m.in. odpowiednią:

- szczelnością na płomienie i gazy (E) – konstrukcja szklana zapewnia ochronę przed płomieniami i gorącymi gazami powstającymi podczas pożaru,

- izolacyjnością cieplną podczas pożaru (I) – konstrukcja szklana gwarantuje zwiększoną izolację cieplną, czyli ograniczenie wzrostu temperatury po stronie chronionej, co utrudnia przenoszenie się ognia i zapobiega zapaleniu się po tej stronie palnych materiałów,

- tłumieniem promieniowania cieplnego (W) – po stronie chronionej przez wskazany czas nie może ono przekroczyć maksymalnej wartości (15 kW/m2 w odległości 1 m od przegrody).

Jak powstaje?

Bazą dla szkła ogniochronnego jest szkło typu float, które powstaje podczas wytwarzania szkła płaskiego. Ciekła masa szklana rozlewana jest po płynnej warstwie cyny, dzięki czemu uzyskuje się płaskie tafle, bez zniekształceń i wad optycznych. W końcowej fazie produkcji następuje proces powolnego schładzania, zwany odprężaniem, który ma na celu pozbycie się naprężeń wewnętrznych.

Szkło ognioochronne produkuje się w różnych wariantach, uzależnionych od stopnia ochrony przed zagrożeniem pożarowym, np. w klasie EI 15, 30, 60, 90, 120 czy nawet 180. To wytwarzane w zakładzie firmy Polflam – zanim zostanie zabezpieczone żelem ogniochronnym – przechodzi proces termicznego hartowania, który polega na nagrzaniu szkła do temperatury ok. 700°C i gwałtownym schłodzeniu go strumieniem zimnego powietrza. W efekcie w tafli dochodzi do charakterystycznego układu naprężeń: w zewnętrznych warstwach pojawiają się naprężenia ściskające, w środku – rozciągające. Proces hartowania znacznie podwyższa wytrzymałość mechaniczną materiału – szkło tego typu jest około pięć razy bardziej odporne na uderzenia niż szkło zwykłe, dużo większa jest też jego odporność termiczna (powyżej 300°C), a po rozbiciu rozpada się na drobne kawałki, które mają tępe krawędzie, dzięki czemu nie kaleczą. W zakładowym laboratorium firmy, a następnie w notyfikowanych laboratoriach poddaje się je próbie wytrzymałości mechanicznej metodą udarową szkła płaskiego, zgodnie z normą PN-EN 12600.

Szkło podatne jest jednak na tzw. spontaniczne pękanie, wywołane przypadkowym zanieczyszczeniem masy szklanej siarczkiem niklu (NiS). Stąd dużą wagę przywiązuje się do przeciwdziałania samoistnemu pęknięciu tafli poprzez na przykład powtórne poddawanie obróbce cieplnej, czyli długotrwałe wygrzewanie szkła hartowanego (tzw. heat soak) w specjalnym piecu.

Ogniochronność to najważniejsza, ale oczywiście nie jedyna cecha tego szkła. Producenci szkła ogniochronnego prześcigają się w osiąganiu coraz bardziej wyśrubowanych parametrów w zakresie izolacyjność akustycznej Rw, przepuszczalności światła Lt, klasy bezpieczeństwa, wytrzymałości na temperatury czy odporności na promieniowanie UV. Parametry te sprawiają bowiem, że szkło ogniochronne jest nie tylko bezpieczne, lecz także funkcjonalne – a to walor szczególnie ceniony przez architektów i projektantów. Do szkła ogniochronnego można dołączyć niemal każde szkło funkcyjne, jak np. przeciwsłoneczne, ciepłochronne czy antywłamaniowe. Nie mogą być natomiast zestawiane z nim bardzo ciemne szkła, które absorbują ciepło. I chociaż produkcja szkła ogniochronnego obwarowana jest licznymi wymaganiami, pojawiają się również ciekawe innowacyjne rozwiązania, np. produkowane przez Polflam szkło ogniochronne gięte czy emaliowane, które można łączyć w jednej przegrodzie ze szkłem przeziernym.

W zakładowym laboratorium

Obecnie przy ocenie odporności ogniowej stosuje się standardową krzywą temperatura – czas, określoną przez normę europejską PN-EN-1363-1:2001 „Badanie odporności ogniowej”. Uważana jest ona za właściwe odwzorowanie w pełni rozwiniętego pożaru. Normowe badanie odporności ogniowej – jak twierdzą specjaliści – nie ma jednak odwzorowywać temperatury i naprężeń mogących występować w warunkach rzeczywistego pożaru, lecz stanowi tylko pewną miaręzachowania się konstrukcji i materiałów w warunkach określonych przez charakterystyki i rozmiary pieców normowych.

Badania normowe przeprowadza w swoim laboratorium także Polflam. Firma dysponuje stanowiskiem badawczym, które wyposażone jest w piec służący do badań ogniowych na konstrukcjach szklanych o bardzo dużych gabarytach. – Testujemy w nim odporność ogniową naszego szkła, zanim trafi na próby ogniowe do notyfikowanych laboratoriów europejskich. Staramy się, by czas poddawania działaniu ognia i warunkom pożaru w trakcie badania był wyższy, niż wymaga tego klasa szkła. Nasze szkło przechodzi więc podwójnie restrykcyjny sprawdzian – podkreśla ekspert z Polflamu.

Badaniom poddaje się cały element konstrukcyjny – szkło z ramami, elementami mocującymi, wzmacniającymi i izolującymi. Dopiero po pozytywnym przejściu badań w certyfikowanym laboratorium taka konstrukcja zostaje dopuszczona do użytku. Szczególnie restrykcyjne badania przechodzą przeszklone drzwi przeciwpożarowe. W ich przypadku sprawdzana jest nie tylko odporność ogniowa szklanego wypełnienia i konstrukcji, lecz także zachowanie się zawiasów, samozamykaczy, siłowników czy zamków. Muszą być one wbudowane w taki rodzaj ściany, w jakim zostały sprawdzone podczas badania w piecu ogniowym i na który otrzymały aprobatę dopuszczenia na rynek. 

Przykładowy rozkład temperatur w czasie badania w piecu ogniowym

Szkło ogniochronne coraz częściej znajduje zastosowanie także w fasadach. W Pomorskim Parku Naukowo-Technologicznym w Gdyni zastosowano 1200 m² szkła ogniochronnego fasadowego, fot. archiwum Polflam

Przekrój szkła z żelem ogniochronnym miękkim, źródło: materiały Polflam

Nowoczesny, wysokowydajny piec przeznaczony jest do hartowania tafli o bardzo dużych gabarytach, szkła float oraz szkieł funkcyjnych o różnych grubościach, archiwum Polflam

Piec do HST, Elżbieta Przyłuska

Piec do prowadzenia badań ogniowych w laboratorium badawczym firmy Polflam, Elżbieta Przyłuska 

Szkło ogniochronne w systemie bezramowym to coraz popularniejsze rozwiązanie w nowoczesnej architekturze, fot. archiwum Polflam