Drewno jako materiał ogniochronny

Zgodnie z kryteriami klasyfikacyjnymi zawartymi w PN-93/B-02862 [1] drewno jest materiałem palnym i jako takie podlega badaniu stopnia palności według PN-B-02874:1996 [2] i może być sklasyfikowane jako niezapalne (I stopień palności), trudno zapalne (II stopień palności) lub łatwo zapalne (III stopień palności). Elementy budynków (także drewniane lub z udziałem drewna) są klasyfikowane ze względu na odporność ogniową według PN-B-02851-1:1997 [3] i rozprzestrzenianie ognia według PN-90/B-02867 [4].

Wymagania stawiane materiałom budowlanym i elementom budynków zawarte w [5] zostały omówione przeze mnie w [6] i powtarzanie ich w tym miejscu nie byłoby celowe.

Drewno jako materiał konstrukcyjny

Projektowaniu elementów konstrukcji drewnianych jest poświęcona norma [7].

Drewno konstrukcyjne lite jest przedmiotem normy [8].

Według [8], klasa drewna jest cechą odpowiadającą wartości wytrzymałości charakterystycznej drewna na zginanie wyrażonej w N/mm². Klasa drewna jest symbolem literowo-cyfrowym składającym się z litery C (dla topoli i gatunków iglastych) lub D (dla gatunków liściastych) oraz liczby dwucyfrowej.

Właściwości mechaniczne i fizyczne klas drewna topolowego i gatunków iglastych przedstawiono w tabeli 1, a gatunków liściastych w tabeli 2.

Tabela 1. Właściwości mechaniczne i fizyczne klas drewna topolowego i gatunków iglastych

Niektóre właściwości mechaniczne i fizyczne	Klasy drewna topolowego i gatunków iglastych
	C14	C16	C18	C22	C24	C27	C30	C35	C40
Wytrzymałość charakterystyczna [N/mm^2] na: zginanie fm,k ściskanie wzdłuż włókien fc,0,k ściskanie w poprzek włókien fc,90,k rozciąganie wzdłuż włókien ft,,0,k	14 16 4,3 8	16 17 4,6 10	18 18 4,8 11	22 20 5,1 13	24 21 5,3 14	27 22 5,6 16	30 23 5,7 18	35 25 6,0 21	40 26 6,3 24
Moduły sprężystości [kN/mm^2]: wzdłuż włókien, średni E0,mean wzdłuż włókien, 5% kwantyl E0,05 w poprzek włókien, średni E90,mean odkształcenia postaciowego, średni Gmean	7 4,7 0,23 0,44	8 5,4 0,27 0,50	9 6,0 0,30 0,56	10 6,7 0,33 0,63	11 7,4 0,37 0,69	12 8,0 0,40 0,75	12 8,0 0,40 0,75	13 8,7 0,43 0,81	14 9,4 0,47 0,88
Gęstość [kg/m^3]: charakterystyczna ρk średnia ρmean	290 350	310 370	320 380	340 410	350 420	370 450	380 460	400 480	420 500

Tabela 2. Właściwości mechaniczne i fizyczne klas gatunków liściastych drewna

Niektóre właściwości mechaniczne i fizyczne	Klasy gatunków liściastych
		D30	D35	D40	D50	D60	D70
Wytrzymałość charakterystyczna [N/mm^2] na: zginanie fm,k na ściskanie wzdłuż włókien fc,0,k na rozciąganie wzdłuż włókien ft,,0,k Średni moduł sprężystości wzdłuż włókien E0,mean [kN/mm^2] Gęstość [kg/m^3]: charakterystyczna ρk średnia ρmean	30 23 18 10 530 640	35 25 21 10 560 670	40 26 24 11 590 700	50 29 30 14 650 780	60 32 36 17 700 840	70 34 42 20 900 1080

Drewno klejone jest przedmiotem normy [9] i zgodnie z podaną w niej definicją jest to element konstrukcyjny uformowany przez zestawienie warstw tarcicy równolegle do przebiegu włókien.

Rozróżnia się kilka rodzajów drewna klejonego warstwowo, a mianowicie:

• jednorodne, którego przekrój poprzeczny tworzą warstwy tarcicy jednakowej jakości (klasy wytrzymałości) i tego samego gatunku botanicznego lub kombinacji gatunków,

• kombinowane, którego przekrój poprzeczny tworzą wewnętrzne i zewnętrzne warstwy tarcicy różnych jakości (klas wytrzymałości) i tego samego gatunku botanicznego lub kombinacji gatunków,

• o spoinach poziomych, które jest zginane pod działaniem siły przyłożonej prostopadle do szerszej płaszczyzny sklejanej tarcicy.

Niektóre właściwości mechaniczne i fizyczne klas drewna klejonego warstwowo przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3. Właściwości mechaniczne i fizyczne klas drewna klejonego warstwowo

Właściwości drewna	Drewno klejone warstwowo
	Jednorodne				Kombinowane
	GL24h	GL28h	GL32h	GL36h	GL24c	GL28c	GL32c	GL36c
Wytrzymałość charakterystyczna [N/mm^2] na: zginanie fm,g,k ściskanie wzdłuż włókien fc,0,g,k ściskanie w poprzek włókien fc,90,g,k rozciąganie wzdłuż włókien ft,0,g,k	24 24 2,7 16,5	28 26,5 3,0 19,5	32 29 3,3 22,5	36 31 3,6 26	24 21 2,4 14	28 24 2,7 16,5	32 26.5 3,0 19,5	36 29 3,3 22,5
Moduły sprężystości [kN/mm^2]: wzdłuż włókien, średni E0,g,mean wzdłuż włókien, 5% kwantyl E0,g,05 w poprzek włókien, średni E90,g,mean	11,6 9,4 0,39	12,6 10,2 0,42	13,7 11,1 0,46	14,7 11,9 0,49	11,6 9,4 0,32	12,6 10,2 0,39	13,7 11,1 0,42	14,7 11,9 0,46
Moduł odkształcenia postaciowego, średni Gg,mean [kN/mm^2]	0,72	0,78	0,85	0,91	0,59	0,72	0,78	0,85
Gęstość charakterystyczna ρ k [kg/m^3]	380	410	430	450	350	380	410	430

Oddziaływanie ognia na drewno

W wyniku spalania drewna na powierzchni elementu drewnianego powstaje warstwa zwęglona o dobrych właściwościach izolacyjnych, ale nie mająca praktycznie żadnej wytrzymałości ani sztywności.

Głębokość warstwy zwęglonej stanowi odległość pomiędzy zewnętrzną powierzchnią elementu drewnianego a granicą zwęglania i jest iloczynem prędkości zwęglania i czasu zwęglania.

Wewnątrz przekroju poprzecznego pozostaje nie zwęglony rdzeń, w którym wzrasta temperatura i wilgotność na skutek migracji wilgoci do wnętrza. Przekrój poprzeczny rdzenia stanowi różnicę pomiędzy pierwotnym przekrojem poprzecznym elementu drewnianego i przekrojem poprzecznym warstwy zwęglonej.

Zwęglanie przekroju poprzecznego elementu drewnianego może być czterostronne, trójstronne, dwustronne lub jednostronne, w zależności od tego czy i ile boków elementu drewnianego jest osłoniętych przed działaniem ognia. Tak więc słupy wolnostojące i belki nie osłonięte od góry ulegają zwęglaniu czterostronnemu, natomiast słupy przyścienne i belki podstropowe zwęglaniu trójstronnemu.

Przykłady cztero-, trzy-, dwu- i jednostronnego działania ognia na nieosłonięte elementy konstrukcji drewnianych przedstawiono na rys. 1.

⇓

⇒

⇐

⇒

⇐

⇐

⇑

⇑

⇑

⇑

Rys. 1. Element konstrukcji drewnianych wystawiony na cztero-, trzy-, dwu- i jednostronne działanie ognia

Dotychczas Polskie Normy nie obejmowały swym zakresem projektowania drewnianych elementów konstrukcyjnych dla sytuacji pożaru. Dlatego poniżej omówiono zajmującą się tą tematyką Część 1-2 Eurokodu 5 [10], który uzyskała status projektu Normy Europejskiej prEN 1995-1-2. Projekt ten stanie się Europejską Normą EN 1995-1-2, która zostanie ustanowiona jako Polska Norma PN-EN 1995-1-2.

Według [10], prędkość zwęglania drewna w warunkach znormalizowanej próby cieplnej przyjmuje się za wartość stałą i niezależną od kierunku zwęglania.

Zwęglanie powierzchni nie osłoniętych

Głębokość zwęglania można obliczać przy założeniu:

• zwęglania jednokierunkowego lub

• zwęglania wyidealizowanego z uwzględnieniem efektu zaokrąglania naroży.

W przypadku zwęglania jednokierunkowego głębokość warstwy zwęglonej należy obliczać według wzoru:

d_char,0 = β₀ * t (1)

gdzie:

d_char,0 - obliczeniowa głębokość zwęglania jednokierunkowego [mm],

β₀ - podstawowa obliczeniowa prędkość zwęglania jednokierunkowego [mm/min.],

t - czas wystawienia na działanie ognia [min.].

W przypadku zwęglania wyidealizowanego głębokość warstwy zwęglonej należy obliczać według wzoru:

d_char,n = β_n * t (2)

gdzie:

d_char,n - wyidealizowana obliczeniowa głębokość zwęglania z uwzględnieniem efektu zaokrąglania

naroży [mm],

β_n - wyidealizowana obliczeniowa prędkość zwęglania z uwzględnieniem efektu zaokrąglania naroży

[mm/min.],

t - czas wystawienia na działanie ognia [min.].

Różnicę między obydwoma rodzajami głębokości zwęglania obrazuje rys. 2.

Wartości obliczeniowe prędkości zwęglania β_o i β_n dla powierzchni nie zabezpieczonych przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4. Wartości prędkości zwęglania β_o i β_n [mm/min]

		βo	βn
a)	Drewno miękkie i buczyna lite o gęstości charakterystycznej ρk ≥ 290 kg/m^3 klejone warstwowo o gęstości charakterystycznej ρk ≥ 290 kg/m^3	0,65 0,65	0,8 0,7
b)	Drewno twarde lite lub klejone warstwowo o gęstości charakterystycznej ρk ≥ 290 kg/m^3 lite lub klejone warstwowo o gęstości charakterystycznej ρk ≥ 450 kg/m^3	0,65 0,50		0,70 0,55
c)	Fornir klejony warstwowo o gęstości charakterystycznej ρk ≥ 500 kg/m^3	0,65		0,70
d)	Płyty^1) panele drewniane sklejka płyty drewnopochodne inne niż sklejka	0,9 1,0 0,9		- - -
^1)	Te wartości odnoszą się do gęstości charakterystycznej 450 kg/m^3 i grubości płyty 20 mm

Dla innych gęstości charakterystycznych ρ_k i grubości płyt h_p należy prędkości zwęglania obliczać według wzoru:

β_o,ρ,t = β_o⋅ k_p ⋅ k_h (3)

gdzie:

k_p =

k_h - większa z wartości
i 1,0

ρ_k - gęstość charakterystyczna [kg/m³]

h_p - grubość płyty [mm].

Wartości podane w tabeli 3 odnoszą się do przekrojów poprzecznych o minimalnej grubości rdzenia:

• 40 mm, jeżeli zwęglanie w kierunku grubości ma miejsce z obydwu stron,

• 20 mm, jeżeli zwęglanie w kierunku grubości ma miejsce z jednej strony.

W przypadku grubości rdzenia mniejszych od wyżej podanych należy prędkości zwęglania zwiększyć o 50%.

Prędkości zwęglania drewna twardego o gęstości charakterystycznej zawartej między 290 i 450 kg/m³ można obliczać przy zastosowaniu interpolacji liniowej. Prędkości zwęglania buczyny należy przyjmować jak dla drewna miękkiego litego.

W odniesieniu do podstawowej prędkości zwęglania kształt linii zwęglania w narożach należy przyjmować jako kołowy o promieniu równym głębokości zwęglania. Dotyczy to promieni nie większych od b_r/2 lub h_r/2, w zależności od tego który jest mniejszy, gdzie b_r i h_r - odpowiednio szerokość i wysokość przekroju rdzenia.

Dla przekrojów poprzecznych o minimalnej szerokości b_min można stosować podstawową prędkość zwęglania, jednak pod warunkiem oddzielnego uwzględnienia zwiększonego zwęglania naroży. Promień zaokrąglenia naroży należy przyjąć równy głębokości zwęglania d_char,0.

Minimalną szerokość b_min przekroju poprzecznego należy obliczać jako mniejszą z dwóch wartości:

• 2d_char,0 + 80 dla d_char,0 ≥ 13 mm,

• 8,15 d_char,0 dla d_char,0 < 13 mm,

Jeżeli mniejsza szerokość przekroju poprzecznego jest mniejsza od b_min, należy stosować wyidealizowane prędkości zwęglania.

Literatura

[1] PN-93/B-02862.Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania niepalności materiałów budowlanych

[2] PN-B-02874:1996. Ochrona przeciwpożarowa budynków. Badanie stopnia palności materiałów budowlanych.

[3] PN-B-02851-1:1997. Ochrona przeciwpożarowa budynków.

[4] PN-90/B-02867. Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania stopnia rozprzestrzeniania ognia przez ściany.

[5] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 15 czerwca 2002 roku nr 75, poz. 690) z późniejszymi zmianami).

[6] R. Adamski: Izolacje ogniochronne elementów konstrukcyjnych. Izolacje nr VI 2004.

[7] PN-B-03150:2000. Konstrukcje drewniane. Obliczenia statyczne i projektowanie.

[8] PN-EN-338:1999. Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości

[9] PN-EN-1194:1999. Konstrukcje drewniane. Drewno klejone warstwowo. Klasy wytrzymałości i określenie wartości charakterystycznych

[10] prEN1995-1-2. Eurocode 5. Design of timber structures. Part 1-2. Structural fire design.

[9] Ustawa z dnia 27 marca 2003 roku (Dz. U. z 2003 roku nr 80, poz. 718) o zmianie ustawy Prawo budowlane z dnia 7 lipca 1994 roku (Dz. U. z 2000 roku nr 106, poz. 1126).

st. kpt. mgr inż. Ryszard Adamski

Szkoła Główna Służby Pożarniczej

---