ОБРОБКА ВУЗЛІВ АНТИПІРЕНАМИ

Деревина, будучи природним будівельним матеріалом, має низку переваг, але її горючість залишається головним недоліком з точки зору пожежної безпеки. Антипіренна обробка — це комплекс заходів, спрямованих на зниження займистості та уповільнення поширення полум’я дерев’яними елементами конструкцій. Це не означає, що деревина стає абсолютно негорючою, але значно зростає її здатність чинити опір вогню, дозволяючи зберегти несучу здатність конструкцій протягом критично важливого часу для евакуації людей та проведення пожежогасіння.

Механізм горіння деревини складний і включає фази нагрівання, розкладання (піролізу) з виділенням горючих газів, займання та власне горіння. Антипірени впливають на ці фази, змінюючи хімічні та фізичні процеси. Наприклад, вони можуть сприяти утворенню негорючого шару вуглецю на поверхні, що перешкоджає доступу кисню та теплопередачі вглиб матеріалу. Це уповільнює швидкість обвуглювання, яка для багатьох порід деревини становить приблизно 0,7 мм/хв. Згідно з ДСТУ Б В.2.7-19:2009, вогнезахисні засоби класифікуються за групами вогнезахисної ефективності. Засоби I групи забезпечують переведення деревини до важкогорючої, а II групи – до важкозаймистої. Важливо зазначити, що якість обробки повинна контролюватися візуально та інструментально, з фіксацією дати обробки та типу використаного складу.

У контексті сучасних дерев’яних конструкцій, зокрема з клеєного брусу та CLT-панелей, що характеризуються значною масивністю, антипіренна обробка відіграє ключову роль. Хоча масивність сама по собі надає певну природну вогнестійкість за рахунок повільного обвуглювання, критичні вузли з’єднань, де зменшується переріз або використовуються металеві елементи, стають найуразливішими. Саме ці ділянки потребують посиленого захисту, щоб відповідати таким вимогам, як REI 30, REI 45 або навіть REI 60, які визначають час збереження несучої здатності (R), цілісності (E) та теплоізолюючої здатності (I) в умовах пожежі. Застосування антипіренів у цих зонах дозволяє досягти необхідних показників, забезпечуючи загальну пожежну безпеку об’єкта.

Антипірени представляють собою широкий спектр хімічних речовин, які поділяються за декількома критеріями: складом, механізмом дії та способом нанесення. Основна класифікація за складом включає:

• Сольові антипірени: Зазвичай це розчини солей фосфорної, борної, сірчаної кислот. Вони недорогі, але схильні до вимивання водою і можуть викликати корозію металевих елементів. Принцип дії базується на утворенні негорючої плівки або спучуванні під впливом високих температур.
• Несольові антипірени (органічні): До них відносяться поліфосфати амонію, амінопласти, смоли. Вони більш стійкі до вимивання, менш корозійно-активні, але дорожчі. Часто мають спучуючий ефект (інтумесцентні покриття), який при нагріванні створює товстий піноподібний шар, що захищає деревину від прямого впливу полум’я.
• Комбіновані склади: Поєднують властивості сольових та органічних антипіренів для досягнення оптимального ефекту.

Механізми дії антипіренів різноманітні:

1. Хімічна реакція: Деякі антипірени реагують з целюлозою деревини при високих температурах, утворюючи негорючі сполуки або каталізуючи утворення вуглецевого шару, що є ефективним бар’єром для полум’я та теплопередачі.
2. Фізичний бар’єр: Інтумесцентні покриття створюють спучуючий шар, який діє як теплоізолятор, а деякі сольові склади формують склоподібну плівку, що перекриває доступ кисню до поверхні.
3. Виділення негорючих газів: Деякі антипірени при нагріванні виділяють негорючі гази (наприклад, аміак, вуглекислий газ), які розбавляють горючу суміш газів, що виділяються з деревини, і перешкоджають їх займанню.

Вибір антипірену залежить від умов експлуатації конструкцій, необхідного класу вогнестійкості та типу дерев’яних матеріалів. Наприклад, для зовнішніх конструкцій або приміщень з підвищеною вологістю перевагу слід надавати антипіренам, стійким до вимивання. Для внутрішніх робіт, де естетика важлива, існують прозорі або тоновані склади, які не змінюють зовнішній вигляд деревини. Важливо завжди звертати увагу на сертифікацію продукту та його відповідність ДСТУ Б В.2.7-19:2009 щодо вогнезахисної ефективності.

Вузли кріплення у дерев’яних конструкціях, особливо у будинках з клеєного брусу або CLT, є найбільш уразливими точками з точки зору пожежної безпеки. Це пов’язано з кількома факторами: концентрація напружень, використання металевих елементів, які є добрими теплопровідниками, та потенційне зменшення ефективного перерізу деревини в місцях з’єднань. Правильне проєктування та обробка цих вузлів є ключовими для забезпечення загальної вогнестійкості будівлі.

Типові критичні вузли включають:

• Вузли з’єднання стін та перекриттів: Ці з’єднання часто використовують металеві пластини, анкери або болти. Метал швидко нагрівається, передаючи тепло вглиб деревини, що прискорює її піроліз та втрату несучої здатності. Тут критично важливе додаткове обгортання металевих елементів негорючими матеріалами або їх глибоке просочення антипіренами.
• Кроквяні вузли та вузли кріплення мауерлата: У конструкціях дахів, особливо у місцях з’єднання крокв з мауерлатом та конькових вузлах, також використовуються металеві кріплення. Пожежа, що поширюється на покрівлю, може швидко призвести до руйнування цих вузлів, а отже, і до обвалення даху. Додатковий вогнезахист, наприклад, через інтенсивне поверхневе нанесення антипіренів або використання вогнезахисних плит, є обов’язковим. При монтажі даху слід враховувати усі ці аспекти ще на етапі проєктування.
• Вузли з’єднання колон і балок: У фахверкових або пост-енд-бім системах, де колони і балки утворюють несучий каркас, з’єднання часто виконуються за допомогою металевих башмаків, шпильок або врізок. Захист цих ділянок є першочерговим завданням, оскільки їх руйнування може спричинити каскадне обвалення конструкції. Європейський стандарт EN 1995-1-2 (Єврокод 5, Частина 1-2 ‘Проектування дерев’яних конструкцій. Проектування конструкцій на вогнестійкість’) надає детальні методи розрахунку вогнестійкості таких вузлів, враховуючи зменшення перерізу деревини та вплив металевих кріплень.

Для ефективного захисту вузлів необхідно проводити їх комплексну оцінку на стадії проєктування, враховуючи навантаження, тип деревини, тип з’єднання та необхідний клас вогнестійкості. На практиці це означає не лише вибір правильного антипірену, а й точне дотримання технології його нанесення, а також можливе застосування конструктивних вогнезахисних заходів, таких як облицювання гіпсокартоном або спеціальними вогнезахисними плитами.

Ефективність антипіренної обробки значною мірою залежить від правильно обраної технології застосування. Існують два основні підходи: поверхнева обробка та глибоке просочення. Кожен з них має свої переваги, недоліки та сфери застосування.

Поверхнева обробка

Цей метод передбачає нанесення антипіренних складів на зовнішню поверхню дерев’яних елементів. Це може бути виконано за допомогою:

• Фарбування або обмазування: Найпростіший і найпоширеніший спосіб, що не вимагає спеціального обладнання. Антипірен наноситься пензлем, валиком або розпилювачем. Важливо забезпечити рівномірне покриття та дотримання норми витрати матеріалу, зазначеної виробником (зазвичай 300–600 г/м² для досягнення I або II групи ефективності). Мінусом є менша довговічність та схильність до вимивання, якщо склад не є водостійким.
• Занурення: Дерев’яні елементи занурюються у ванну з антипіреном на певний час. Цей метод забезпечує краще проникнення порівняно з фарбуванням, але вимагає ємностей відповідного розміру.

Поверхнева обробка підходить для вже змонтованих конструкцій або елементів, що не піддаються інтенсивному впливу вологи. Вона дозволяє швидко підвищити пожежну безпеку, але потребує періодичного поновлення захисного шару, зазвичай раз на 3–5 років, залежно від типу антипірену та умов експлуатації.

Глибоке просочення

Цей метод забезпечує максимальне проникнення антипірену вглиб деревини, що значно підвищує довговічність та ефективність захисту. Основним способом є:

• Автоклавне просочення: Деревина поміщається в герметичні камери (автоклави), де за допомогою вакууму та надлишкового тиску антипіренний розчин примусово вводиться в пори матеріалу. Цей метод дозволяє досягти проникнення на глибину до 10–25 мм і навіть більше, що робить деревину важкогорючою на весь термін служби конструкції. Просочення під тиском забезпечує високу стійкість до вимивання та механічних пошкоджень. Однак, такий спосіб є промисловим і застосовується на етапі виробництва пиломатеріалів або готових елементів, таких як CLT-панелі або елементи клеєного бруса.

Вибір технології залежить від проєкту, вимог до вогнестійкості та фінансових можливостей. Для критичних вузлів, де необхідний тривалий та надійний захист, перевага надається глибокому просоченню. Однак, на об’єкті вже змонтовані вузли часто обробляють поверхневими методами, дотримуючись суворих правил нанесення для досягнення максимальної ефективності та мінімізації типових помилок при будівництві.

В Україні вимоги до пожежної безпеки будівель, включно з дерев’яними конструкціями, регламентуються низкою нормативних документів, ключовим серед яких є ДБН В.1.1-7:2016 ‘Пожежна безпека об’єктів будівництва’. Цей стандарт встановлює класи вогнестійкості будівельних конструкцій, методи випробувань та вимоги до вогнезахисних засобів.

Згідно з ДБН, для дерев’яних конструкцій визначаються наступні показники вогнестійкості:

• R (несуча здатність): Час, протягом якого конструкція зберігає свою несучу функцію під впливом вогню.
• E (цілісність): Час, протягом якого конструкція зберігає свою цілісність, тобто не утворюються наскрізні отвори або тріщини, через які продукти горіння можуть проникати в незахищені приміщення.
• I (теплоізолююча здатність): Час, протягом якого конструкція зберігає свою теплоізолюючу здатність, тобто температура на неопалюваній поверхні не перевищує допустимих значень, запобігаючи займанню матеріалів по інший бік конструкції.

Класи вогнестійкості позначаються як REI з цифровим значенням (наприклад, REI 30, REI 45, REI 60), що вказує на мінімальний час (у хвилинах), протягом якого конструкція повинна відповідати цим трьом критеріям. Для дерев’яних елементів, що використовуються як несучі або огороджувальні конструкції, ці показники є критично важливими. Наприклад, для будівель III ступеня вогнестійкості, дерев’яні несучі елементи повинні мати клас вогнестійкості не менше R 45. Без належної антипіренної обробки та конструктивних заходів досягнення таких показників для дерев’яних вузлів є надзвичайно складним завданням.

ДБН також висуває вимоги до вогнезахисних матеріалів, які повинні мати відповідні сертифікати відповідності та бути випробувані згідно з ДСТУ Б В.2.7-19-95 (ISO 834:1975) або ДСТУ Б В.1.1-13. Норми витрати антипіренів, а також періодичність контролю стану вогнезахисту, є обов’язковими для виконання. Проєктувальники при проєктуванні будівель повинні чітко вказувати необхідний клас вогнестійкості для кожного елемента, а також обґрунтовувати обрані методи вогнезахисту, враховуючи специфіку вузлів кріплення. Дотримання цих нормативів є запорукою безпечної та довговічної експлуатації дерев’яних будівель в Україні.

Одним із важливих аспектів, який необхідно враховувати при виборі та застосуванні антипіренів, є їхній потенційний вплив на фізико-механічні властивості деревини та загальну довговічність конструкцій. Існує поширений міф, що антипіренна обробка може суттєво знижувати міцність деревини. Однак, сучасні якісні антипірени розробляються таким чином, щоб мінімізувати такі негативні ефекти.

Більшість сольових антипіренів, особливо при глибокому просоченні, можуть незначно підвищувати гігроскопічність деревини, що за певних умов може призвести до зміни її вологості та, як наслідок, до незначного зниження міцності. Проте, це зниження зазвичай не перевищує 5-10% і враховується в розрахунках при проєктуванні. Важливо уникати використання антипіренів, які містять сильні кислоти або луги, оскільки вони можуть спричинити деградацію целюлози та лігніну, що безпосередньо впливає на несучу здатність матеріалу. Сучасні склади, що відповідають ДСТУ Б В.2.7-19:2009, проходять суворий контроль на хімічну нейтральність.

Щодо довговічності, ключовим фактором є стійкість антипірену до вимивання. Сольові антипірени, що не пройшли додаткової фіксації, можуть поступово вимиватися з деревини під впливом атмосферних опадів або конденсату, особливо в негерметичних вузлах. Це призводить до зниження їхньої ефективності з часом і вимагає періодичного поновлення захисту. Несольові та фіксуючі антипірени, особливо ті, що застосовані методом автоклавного просочення, забезпечують довготривалий захист, який може зберігатися протягом 20-30 років і більше без істотного зниження вогнезахисних властивостей.

Крім того, необхідно враховувати вплив антипіренів на корозійну стійкість металевих кріплень у вузлах. Деякі сольові склади можуть прискорювати корозію сталі. Тому для вузлів з металевими елементами рекомендується використовувати антипірени з низькою корозійною активністю або застосовувати захищені металеві кріплення (оцинковані, нержавіючі). Забезпечення належної вентиляції у вузлах також зменшує ризик корозії та вимивання. Усі ці аспекти підкреслюють необхідність комплексного підходу до вибору та застосування антипіренів, а не тільки фокусу на пожежній безпеці.

Ефективний вогнезахист дерев’яних конструкцій починається на етапі проєктування. Сучасні підходи вимагають інтеграції антипіренної обробки та інших протипожежних заходів у загальну концепцію будівлі, часто з використанням технологій інформаційного моделювання будівель (BIM). BIM дозволяє не тільки візуалізувати конструкції, але й керувати інформацією про матеріали, їхні властивості та вимоги до обробки.

Інтеграція вогнезахисту в BIM-модель включає:

• Задання параметрів вогнестійкості: Для кожного дерев’яного елемента та вузла в моделі можна задати необхідний клас вогнестійкості (наприклад, REI 45), тип деревини та її характеристики. Це дозволяє автоматично контролювати відповідність проєкту нормативним вимогам ДБН В.1.1-7:2016.
• Визначення зони та методу обробки: У BIM-моделі можна графічно позначити ділянки, що потребують антипіренної обробки, вказати тип антипірену (наприклад, сольовий I групи або інтумесцентний) та метод застосування (поверхневе нанесення, глибоке просочення). Це мінімізує ризики помилок на будівельному майданчику та спрощує контроль якості.
• Розрахунок витрат та ресурсів: На основі інформації в моделі можна автоматично розрахувати необхідну кількість антипірену для різних зон, вартість робіт та терміни виконання. Це допомагає оптимізувати бюджет проєкту та уникнути непередбачених витрат.
• Деталізація вузлів: У BIM-моделі можна створити детальні 3D-моделі критичних вузлів кріплення з урахуванням вогнезахисних шарів, що дозволяє інженерам та монтажникам чітко розуміти послідовність робіт та вимоги до матеріалів. Це особливо важливо для складних з’єднань, де взаємодія деревини, металу та вогнезахисних покриттів є критичною.

Комплексний підхід, реалізований через BIM, дозволяє не тільки підвищити пожежну безпеку об’єкта, але й оптимізувати весь життєвий цикл будівлі, від проєктування до експлуатації. Це також допомагає уникнути типових помилок, пов’язаних з ігноруванням деталей вогнезахисту, які можуть мати катастрофічні наслідки. Врахування цих аспектів на ранніх стадіях проєктування є запорукою успішного та безпечного будівництва дерев’яних споруд.

Розглянемо практичний приклад забезпечення вогнестійкості для багатоповерхового житлового будинку в Карпатському регіоні, зведеного з CLT-панелей. Для цього об’єкта було встановлено вимогу до вогнестійкості несучих конструкцій не менше REI 45. Особливу увагу приділено вузлам з’єднання стінових CLT-панелей з перекриттями та зовнішніми стінами.

Вихідні дані:

• Конструкція: Стіни та перекриття з CLT-панелей товщиною 140 мм.
• Вузли кріплення: З’єднання CLT-панелей виконуються за допомогою саморізів великого діаметра та металевих анкерних пластин.
• Регіон: Карпати – характеризується підвищеною вологістю, що вимагає застосування антипіренів, стійких до вимивання.
• Вимога: REI 45 для всіх несучих елементів.

Рішення та технологія обробки:

1. Вибір антипірену: Обрано інтумесцентний антипірен II групи ефективності, стійкий до вимивання, який при нагріванні утворює спучуючий теплоізоляційний шар. Цей тип антипірену є ідеальним для вузлів, оскільки не змінює їхню геометрію в звичайних умовах, але активно спрацьовує при пожежі. Норма витрати становила 700 г/м² для досягнення необхідної товщини захисного шару.
2. Обробка вузлів на виробництві: На етапі виробництва CLT-панелей, ділянки, що примикають до вузлів (приблизно 200 мм від краю), були оброблені глибоким просоченням під тиском сольовим антипіреном I групи. Це забезпечило базовий рівень захисту від піролізу на ранніх стадіях пожежі.
3. Фінальна обробка на об’єкті: Після монтажу всіх CLT-панелей та формування вузлів, всі видимі металеві кріплення та прилеглі до них дерев’яні поверхні (на відстані 100 мм) були додатково оброблені інтумесцентним антипіреном шляхом фарбування у два шари. Це забезпечило зовнішній шар захисту, який розширюється при високих температурах, перекриваючи щілини та захищаючи металеві елементи від швидкого нагрівання.
4. Контроль якості: Після висихання, якість покриття перевірялася візуально на рівномірність та відсутність пропусків. Були проведені вибіркові вимірювання товщини шару антипірену, а також візуальний контроль на предмет корозії металевих елементів, що є важливим згідно ДБН В.1.1-7:2016.

Результат: Завдяки комбінованому підходу (глибоке просочення на виробництві та поверхнева інтумесцентна обробка на об’єкті) вдалося досягти класу вогнестійкості REI 45 для всіх критичних вузлів, що було підтверджено сертифікованими випробуваннями зразків, аналогічних проектним вузлам.