Bezpieczeństwo pożarowe budynków drewnianych (cz. 1)

Zapoznajmy się ze stanem wiedzy w zakresie bezpieczeństwa pożarowego w budynkach wykonanych z materiałów drewnianych lub drewnopochodnych. W tym celu warto przedstawić m.in. opis zjawisk pożarowych oraz zasady projektowania w kontekście uzyskania odpowiedniego stopnia bezpieczeństwa pożarowego. Pomocne będą wybrane artykuły, normy branżowe oraz wytyczne.

Zjawiska towarzyszące spalaniu drewna

W wyniku ogrzewania powierzchni drewna, tzw. wstępnego ogrzewania, materiał ten ulega stopniowej degradacji, tj. zmianie w stosunku do stanu pierwotnego, m.in. w wyniku odparowania niezwiązanej wody i wytworzenia się pewnego ciśnienia wewnątrz materiału. Woda w postaci pary przemieszcza się zarówno w kierunku ogrzewanej powierzchni, jak i w przeciwną stronę. Większa ilość wody wędruje w stronę nieogrzewaną (chłodniejszą) wskutek ustalenia się różnicy ciśnienia wymuszającego kierunek przepływu. Po dotarciu do chłodniejszej (nieogrzewanej) masy drewna para skrapla się, co prowadzi do wzrostu wilgoci i pojawienia się wilgoci (zacieków) na powierzchni elementu drewnianego. Przy dalszym ogrzewaniu drewno ulega osuszeniu, co umożliwia rozpoczęcie procesu jego rozkładu i pirolizy.

Można przyjąć, że mamy do czynienia z następującymi etapami rozkładu w różnych zakresach temperaturowych:

• odparowuje niezwiązana woda – powyżej 100℃,
• rozpoczęcie procesu rozkładu hemicelulozy i innych polimerów (powstające pary i gazy nie są palne) – 160-200℃,
• przyspiesza proces usuwania wody z drewna i następuje powolna piroliza (dynamika tworzenia się łatwopalnych gazów i par jest jeszcze niewystarczająca do wytworzenia mieszaniny palnej) – 200-220℃,
• rozpoczyna się proces pirolizy (w przypadku obecności źródła zapłonu może wystąpić spalanie płomieniowe wydzielanych par i gazów) – 225-275℃,
• gwałtowne przyspieszenie pirolizy – powyżej 300℃,
• zwęglenie się drewna, tlenie się drewna – powyżej 350℃.

Zjawiska opisane powyżej są dobrze udokumentowane i zbadane. Poniżej zostaną wyjaśnione wybrane pojęcia, które mają wpływ na proces zapłonu i spalania drewna:

• proces ogrzewania,
• zapłon,
• piroliza,
• wkład energetyczny drewna w czasie pożaru,
• ciepło spalania,
• dostęp tlenu,
• zawartość wilgoci,
• gatunki drewna,
• kierunek ułożenia włókien,
• gęstość drewna,
• zabezpieczenie przed zapaleniem.

Proces ogrzewania

Drewno jest dość skutecznym izolatorem, jeśli chodzi o transport ciepła. Charakteryzuje się stosunkowo niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła (0,16÷0,3 – sosna i świerk, 0,22÷0,4 – dąb, a dla porównania: 0,025 – powietrze, 0,6 – woda) [W/(m*K)] i stosunkowo wysoką wartością ciepła właściwego (1,2÷2,3 – drewno, a dla porównania: 0,84 – cegła) [J/(g*K)]. Te właściwości fizyczne powodują, że trudno jest ogrzać drewno do określonej temperatury w danej objętości. Po podgrzaniu do wartości granicznej drewno ulega stopniowemu rozkładowi, tworząc substancje lotne (palne oraz niepalne). Substancje te stale mieszają się z otaczającym powietrzem przy powierzchni drewna.

Jeśli strumień palnych substancji wydzielanych z drewna w trakcie jego ogrzewania osiągnie na tyle dużą wartość (graniczną), że będzie zdolny do wytworzenia stężenia odpowiadającego co najmniej dolnej granicy palności, to drewno ulegnie zapaleniu, np. od punktowego źródła zapłonu. Po zapaleniu się i utrzymaniu spalania nastąpi gwałtowny wzrost ilości wytwarzanych palnych substancji, co doprowadzi do wzrostu szybkości spalania, aż do osiągnięcia równowagi pomiędzy strumieniem wytwarzanych substancji palnych a szybkością spalania.

Zapłon

Krytyczna wartość strumienia ciepła niezbędna do zapłonu drewna w obecności płomienia pilotującego (punktowe źródła zapłonu, o mocy nie powodującej ogrzewania drewna) wynosi ok. 12 kW/m², natomiast oddziaływanie wartości strumienia promieniowania o wartości ok. 28 kW/m² może spowodować samozapłon drewna (bez udziału zewnętrznego czynnika inicjującego zapłon). Temperatura powierzchni drewna wynosząca ok. 350°C oraz obecność płomienia pilotującego umożliwia zapłon substancji palnych, których emisja zachodzi na powierzchni drewna. Ogrzanie drewna do temperatury ok. 600°C może doprowadzić do samozapłonu. Warto także wziąć pod uwagę, że wydłużenie czasu ekspozycji drewna na promieniowanie cieplne może znacząco obniżyć moc strumienia niezbędnego do wywołania zapłonu. Podane wartości są uśrednione i zależą od wilgotności drewna, jego gatunku oraz – czego często się nie uwzględnia – od zawartości tlenu przy powierzchni.

Piroliza

Proces pirolizy to inaczej rozkład termiczny, w wyniku którego następuje zmiana składu chemicznego materiału, a fazy fizyczne ulegają nieodwracalnej przemianie. Dobór systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych w budynkach o przeważającym udziale materiałów drewnopochodnych powinien uwzględniać w szczególny sposób zjawisko zwęglania drewna, natomiast przyjęta temperatura 300°C jest akceptowalna jako punkt, w którym rozpoczyna się zwęglanie drewna. Wytworzona warstwa węgla na powierzchni charakteryzuje się stosunkowo wysoką porowatością (obecność przestrzeni powietrznych w strukturze węgla), która jest niejednorodna, dzięki czemu silnie ogranicza przewodzenie ciepła w głąb drewna.

Wraz ze wzrostem grubości warstwy zwęglonej powstaje naturalna ochrona przed oddziaływaniem pożaru zewnętrznego, która utrudnia wnikanie ciepła i dalszą degradację elementu drewnianego. Opisany wyżej efekt jest niezwykle korzystny z punktu widzenia naturalnych właściwości ochronnych pojedynczego elementu. Opisane zjawisko zostało przedstawione schematycznie na rys. 1.

Biorąc natomiast pod uwagę całość konstrukcji wykonanej z elementów drewnianych, trzeba zaznaczyć, że aby uzyskać zwęgloną warstwę zabezpieczającą, należy spalić pewną masę drewna. Efektem tego jest wydzielenie dodatkowej energii cieplnej, co oczywiście wpływa na rozwój pożaru. Dodatkowo wyniki badań [1] dowodzą, że powolne utlenianie wytworzonej warstwy ochronnej węgla w trakcie dłuższych zdarzeń pożarowych również istotnie zwiększa sumaryczną ilość uwolnionej energii cieplnej. Efekt ten powinien być uwzględniany podczas opracowywania założeń do symulacji pożaru budynku o konstrukcji drewnianej.

Wkład energetyczny drewna w czasie pożaru

Wartość ciepła spalania drewna wynosi 17,5±2,5 MJ/kg. Powstająca w trakcie pożaru wokół rdzenia drewnianego elementu warstwa węgla ogranicza przenoszenie ciepła do jego wnętrza. Transport ciepła jest jednak w pewnym stopniu uzależniony od kilku czynników, do których należą m.in. naturalne i powstające w trakcie pożaru pęknięcia (szczeliny) w drewnie, które usprawniają transport ciepła przez warstwę zwęgloną. Zjawisko to zachodzi na sposób radiacyjny oraz konwekcyjny, pozwalając również gazom pirolitycznym przenosić się przez warstwę zwęglenia, co podsyca ogień.

Zawartość dostępnej energii w materiale palnym określa się ilościowo za pomocą laboratoryjnych metod badawczych wartości ciepła spalania. Można je opisać jako ciepło netto lub efektywne ciepło spalania. Wartość ciepła netto odzwierciedla ilość energii, która może być wytworzona, gdy materiał jest spalany w atmosferze zawierającej praktycznie 100% tlenu. Należy mieć na uwadze, że wyznaczanie ciepła spalania w laboratorium daje bardzo precyzyjną wartość energii, która jednak w warunkach pożaru praktycznie nigdy nie zostanie osiągnięta (wyznaczona wartość jest nadmiarowa).

Na wielkość wydzielonej podczas pożaru energii ma wpływ wiele czynników, m.in. sposób ogrzewania materiału palnego oraz przepływu powietrza. Warunki ogrzewania w trakcie pożaru zmieniają się w zależności od liczby odsłoniętych powierzchni, a warunki przepływu powietrza – zależnie od geometrii materiału i wielkości otworów. Warto w tym miejscu przywołać eksperyment przeprowadzony przez Crielaard i in. w 2019 r. [2], w którym stwierdzono, że wartość promieniowania cieplnego ma istotny wpływ na rozprzestrzenianie się pożaru w układzie konstrukcji wykonanej, np. drewna klejonego krzyżowo (ozn. CLT). Przy pewnych dużych wartościach promieniowania cieplnego może dojść do rozgorzenia, natomiast przy niskich wartościach nie dochodzi nawet do zapalenia się konstrukcji wykonanej we wspomnianej technologii.

Rozprzestrzenianie się pożaru w budynku o konstrukcji drewnianej

Palność jest przyporządkowana do drewna jako jego naturalna cecha, dlatego też wszystkie konstrukcje drewniane charakteryzują się pewnym stopniem rozprzestrzeniania ognia. Zastosowanie drewna jako elementu konstrukcyjnego lub wykończenia w budynku powoduje możliwość zaistnienia różnych zdarzeń pożarowych oraz rozprzestrzeniania się pożaru, np. między strefami pożarowymi, kondygnacjami lub pomieszczeniami. Warto zwrócić uwagę na koncepcję rozwoju pożaru w tego typu budynkach przedstawioną przez Brandona [3]. Dane pozwalają opracować już na etapie koncepcji projektu właściwą strategię bezpieczeństwa pożarowego. Wybrane informacje zostały przedstawione na rys. 2.

Przedstawia on różne drogi rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku o schematycznej konstrukcji drewnianej. Z uwagi to, że obiekt wykonany jest z materiału ogólnie zaklasyfikowanego jako palny, kierunki rozprzestrzeniania się płomieni w tego typu budynkach będą specyficzne i mogą się istotnie różnić od tych występujących w przypadku obiektów o konstrukcji wykonanej z materiałów niepalnych. W dalszej części artykułu pojawią się kolejne wątki dotyczące możliwości rozprzestrzeniania się pożaru.

Ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia

W przypadku pożaru w pomieszczeniu bądź innej ograniczonej przestrzeni istnieją pewne typowe drogi rozprzestrzeniania się ognia, które należy uwzględnić w procesie projektowania i budowy obiektu. Może do niego dojść przez:

• uszkodzenie elementów oddzielających,
• połączenia i węzły,
• instalacje,
• pustki

Ryzyko rozprzestrzeniania się ognia przez połączenia i węzły zwykle występuje między płytami stropowymi i ścianami nośnymi, a rozprzestrzenianie się ognia przez nie do pustek w ścianach wewnętrznych lub zewnętrznych może mieć znaczenie krytyczne. Połączenia narożne z innymi częściami budynku lub połączenia wokół instalacji serwisowych i przepustów są potencjalnie słabymi punktami, które umożliwiają rozprzestrzenianie się ognia przy w pełni rozwiniętym pożarze. Wzajemne przemieszczanie się drewnianych elementów w trakcie pożaru lub ze względu na zmiany warunków środowiskowych może doprowadzić do zwiększenia szczelin i poluzowania połączeń. Szczeliny mogą umożliwiać rozprzestrzenianie się gorących gazów, dymu i płomieni w warunkach nadciśnienia podczas ekspozycji na ogień i zmniejszać klasę odporność ogniowej elementów.

W celu zapewnienia wymaganej klasy odporności ogniowej elementów oddzielających sformułowano zasady, które powinny być brane pod uwagę na etapie projektowania oraz wykonania i które obowiązują dla lekkich ram drewnianych i zespołów modułowych:

• połączenia muszą być szczelnie dopasowane lub wypełnione materiałem ognioodpornym,
• połączenia wzdłużne w elementach wielowarstwowych powinny być przesunięte względem siebie,
• wszystkie przepusty powinny być zabezpieczone do odpowiedniej klasy odporności ogniowej,
• puste przestrzenie należy uzupełnić materiałem izolacyjnym,
• kanały przepływu konwekcyjnego trzeba wykluczyć lub ograniczać,
• funkcja nośności elementów musi być spełniona w trakcie trwania pożaru,
• należy wziąć pod uwagę warunki użytkowania końcowego uwzględniające starzenie się obiektu.

Wymagane okablowanie lub inne instalacje, takie jak wodno-kanalizacyjne, złącza, przełączniki i gniazda, mogą być poprowadzone bezpośrednio wewnątrz elementu oddzielającego. Otwory serwisowe osadzone w elementach budynku zmniejszą skuteczność oddzielenia przeciwpożarowego i należy to wziąć pod uwagę.

Jednym z przykładowych miejsc przenoszenia pożaru przez konstrukcje drewniane są złącza wyrobów np. na nakładkę ściętą (wręgowe) lub połączenia czołowe. Gdy pożar oddziałuje na jedną stronę przegrody, element zmniejsza swój przekrój poprzeczny, a przyłożone obciążenia wywołują ugięcia, co powoduje otwieranie się połączenia. Powstałe szczeliny na połączeniu skutkują dalszym, szybszym zwęgleniem drewna, a następnie utratą integralności połączenia z powodu wnikania gazów pożarowych, które mogą przedostać się na drugą stronę. W sytuacji, w której gorące gazy są w stanie już przeniknąć przez połączenie na stronę nieogrzewaną, proces uszkodzenia zaczyna gwałtownie przyspieszać. W efekcie następuje przeniesienie pożaru na drugą stronę, wcześniej niepoddawaną oddziaływaniu pożaru. Rys. 3 obrazuje uszkodzenie połączenia podczas pożaru testowego trwającego 60 min.

Ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia przez pustki powietrzne w budynku

Pustki powietrzne, które znajdują się za drewnianymi elementami lub są elementem izolacji cieplnej ścian zewnętrznych, mogą przyczyniać się do wzrostu dynamiki pożaru. Pożar może się przenosić na drodze rozprzestrzenienia się produktów spalania, płomieni lub tlących się fragmentów. Obecność pustek powietrznych powinna zostać uwzględniona podczas oceny ryzyka związanego z rozprzestrzenianiem się pożaru.

Niepalne materiały mogące ulegać sprężystym odkształceniom, np. materiały izolacyjne o niskiej gęstości, są odpowiednie do wypełnienia pustych przestrzeni. Ich właściwy dobór i zastosowanie zmniejsza ryzyko szybkiego przeniesienia się płomieni, jednak niekoniecznie ogranicza możliwość rozprzestrzeniania się palnych gazów pożarowych, mogących powstać np. wskutek pirolizy. Do wypełniania w sposób systemowy pustek powietrznych w drewnianych konstrukcjach zalecane są produkty z wełny mineralnej (np. wełna szklana, wełna skalna), dla których projektowa gęstość po montażu wynosi ok. 50 kg/m³ [3].

Należy mieć na uwadze, że nie tylko gęstość jest cechą decydującą podczas pożaru o spełnieniu założeń projektowych. Także jakość i rodzaj materiału, z jakiego wykonano produkt (właściwości), grubość, sposób i jakość montażu są ważnymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę. Powszechnie stosowana wełna szklana ma zazwyczaj niższą temperaturę topnienia i gdy będzie wystawiona na działanie wysokiej temperatury, nie spełni swojej roli w takim stopniu, jak wełna skalna.

Należy unikać produktów z pokryciem z tworzywa sztucznego, ponieważ mogą one powodować powstawanie kanałów powietrznych, które umożliwiają przepływ gazów pożarowych, a także topić się i tworzyć w środowisku pożaru płonące krople [3]. Walka z pożarami wewnątrz konstrukcji jest bardzo trudna i należy unikać ich wystąpienia.

Ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia na zewnątrz budynku

Strategia bezpieczeństwa pożarowego dla wysokich budynków opiera się m.in. na utrzymaniu ognia w określonej strefie pożarowej przez założony czas, co wymaga wprowadzenia rozwiązań zapobiegających przeniesieniu się płomieni między strefami pożarowymi. Należy zapobiec rozprzestrzenianiu się ognia po elewacji zewnętrznej lub wewnątrz pustki powietrznej pomiędzy ścianą zewnętrzną a elewacją. Jeśli zastosujemy tam materiały palne, to ryzyko zewnętrznego roznoszenia się płomieni może gwałtownie wzrosnąć (stało się tak np. w pożarze budynku Grenfell Tower). Zastosowane na ścianie zewnętrznej materiały i ich system mocowania musi również ograniczać ryzyko oderwania się elementów powodujących rozprzestrzenianie się ognia lub szkody dla ludzi i strażaków. Ryzyko roznoszenia się płomieni na sąsiednie budynki może również wzrosnąć w przypadku pokrycia ściany zewnętrznej okładzinami zawierającymi palne elementy.

Przepisy budowlane w różnych krajach zazwyczaj określają wymagania dotyczące stopnia palności wyrobów stosowanych w ścianach zewnętrznych. Celem tego rozwiązania jest ograniczenie ryzyka rozprzestrzeniania się ognia na zewnątrz budynku. Poziom tego ryzyka każdy z krajów określa indywidualnie. Przykładowo w Wielkiej Brytanii obecnie wprowadzono zakaz, zgodnie z którym żaden budynek o wysokości powyżej 18 m nie może mieć elewacji wykonanej z elementów palnych. W niektórych krajowych przepisach budowlanych materiały palne mogą być stosowane jako część systemu ścian zewnętrznych, jeśli przeszły test pożarowy na dużą skalę (np. SP Fire 105, Lepir II, BS 8414, ISO 13785, NFPA 285, AS 5113).

Zastosowanie rozwiązań zwiększających odporność drewna na działanie ognia pozwala przejść pomyślnie testy pożarowe, uzyskać dokumentację potwierdzającą określone właściwości, co umożliwia zastosowanie elewacji drewnianych w budynkach. Należy jednak mieć na uwadze, że trwałość większości produktów ogniochronnych stosowanych do materiałów drewnianych montowanych na zewnętrz obiektów stosunkowo szybko – w ciągu kilku lat – znacznie się zmniejsza w wyniku oddziaływania czynników atmosferycznych. Zwykle nie jest to uwzględniane w wymaganiach przepisów budowlanych ani w trakcie użytkowania.

Należy zaznaczyć, że niektóre normatywne badania przewidziane do potwierdzenia odporności elewacji na oddziaływanie ognia przewidują stosunkowo ograniczoną ekspozycję na ogień, zarówno w odniesieniu do szybkości uwalniania ciepła, możliwej do uzyskania temperatury, jak i czasu ekspozycji badanego elementu na skutki pożaru testowego [3]. Proponowane testy są niestety ograniczone skalą badawczą możliwą do zastosowania w zakresie wpływu w pełni rozwiniętego pożaru doświadczalnego w ograniczonym czasie.

W obiektach wzniesionych na bazie materiałów drewnopochodnych scenariusze pożarowe mogą być bardziej agresywne, np. ze względu na większą gęstość obciążenia ogniowego, wydłużone w czasie i bardziej rozległe efekty pożaru zewnętrznego lub także niekorzystny wpływ warunków atmosferycznych (np. wiatru) w porównaniu z ekspozycją w znormalizowanych testach elewacji. Fakt ten znalazł swoje potwierdzenie w wynikach wielu badań na dużą skalę [4-7]. Najświeższe, przeprowadzone przez Sjöströma i innych w 2023 r. [15], przedstawiają porównanie różnych standardów testów ogniowych elewacji i eksperymentów na dużą skalę z odsłoniętą konstrukcją drewnianą. Porównanie pokazuje, że metody testowe SP Fire 105 i Lepir II generują znacznie mniejsze zasięgi oddziaływania efektów pożaru testowego [9]. Norma brytyjska BS 8414 oraz nowo proponowana metoda dla UE są najbardziej reprezentatywne dla testowanych scenariuszy pożarowych [7].

Dodatkowe uwagi

Zastosowane w budynkach o konstrukcji drewnianej pasywne środki ochrony przeciwpożarowej mogą nie powstrzymać rozprzestrzeniania się pożaru. Przyczyny takiego stanu są różne. Jedną z nich stanowi niespełnienie przez nie stawianych wymagań w sytuacji rzeczywistego zdarzenia pożarowego, które może diametralnie różnić się od scenariusza pożaru w trakcie testów, którym był poddawany wyrób bądź zestaw na etapie dopuszczenia. Innym, częstym powodem wspomnianej wyżej sytuacji jest nieprawidłowy dobór i instalacja pasywnych środków ochrony przeciwpożarowej i ten aspekt trudno rzetelnie ocenić na etapie np. odbioru obiektu do użytkowania. Opisane trudności występują we wszystkich typach budynków, nie tylko tych o konstrukcji drewnianej. Należy jednak pamiętać, że potencjalne skutki niespełnienia swojej funkcji przez zabezpieczenia w budynku drewnianym mogą być znacznie większe.

Wyroby budowlane są oceniane m.in. pod kątem osiągnięcia określonej odporności na pożar po poddaniu ich ekspozycji na działanie standardowej krzywej temperaturowej. Doświadczenia ostatnich lat pokazują jednakże, że w pewnych okolicznościach takie testy nie są do końca miarodajne, czego efektem stają się medialne pożary w obiektach zbudowanych z materiałów „które się nie palą”. Zdarzają się zatem sytuacje, kiedy to wyrób w fazie badań uzyskał wysoki poziom odporności na oddziaływanie ognia, natomiast jego reakcja podczas rzeczywistego pożaru była już zgoła gorsza.

mł. bryg. Piotr LESIAK pełni służbę w Biurze Przeciwdziałania Zagrożeniom KG PSP

Przypisy:

[1] C.E. MacLeod, A. Law, R.M. Hadden, Quantifying the heat release from char oxidation in timber, Fire Safety Journal. 138 (2023) 103793. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2023.103793.
[2] R. Crielaard, J.W. van de Kuilen, K. Terwel, G. Ravenshorst, P. Steenbakkers, Self-extinguishment of cross-laminated timber, Fire Safety Journal 105 (2019): 244-260, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2019.01.008.
[3] D. Brandon, A. Just, P. Andersson, B. Östman, Mitigation of fire damages in multi-storey timber buildings – statistical analysis and guidelines for design, RISE Research Institutes of Sweden, Stockholm, 2018, ISBN: 978-91-88695-82-6.
[4] M. Klippel, A. Just, Guidance on fire design of CLT including best practice, COST Action FP1404, Zürich, Switzerland, 2018, doi: 10.3929/ethz-b-000319542p.
[5] R. McNamee, J. Zehfuss, A.I. Bartlett, M. Heidari, F. Robert, L.A. Bisby, Enclosure fire dynamics with a cross‐laminated timber ceiling, Fire and Materials 45 (2021): 847-857. https://doi.org/10.1002/fam.2904.
[6] A.S. Bøe, K.L. Friquin, D. Brandon, A. Steen-Hansen, I.S. Ertesvåg, Fire spread in a large compartment with exposed cross-laminated timber and open ventilation conditions: #FRIC-01 – Exposed ceiling, Fire Safety Journal (2023): 103869, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2023.103869.
[7] J. Sjöström, D. Brandon, A. Temple, J. Anderson, R. McNamee, External fire plumes from mass timber compartment fires. Comparison to test methods for regulatory compliance of façades, Fire and Materials 47 (2023): 433-444, https://doi.org/10.1002/fam.3129.
[8] https://timberfiresafety.org/connections/ (dostęp: 24.02.2024)
[9] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/fam. 31290 (dostęp: 22.02.2024)

Pozostała literatura dostępna u autora