OBRÓBKA WĘZŁÓW ŚRODKAMI OGNIOOCHRONNYMI

Drewno, będąc naturalnym materiałem budowlanym, ma szereg zalet, ale jego palność pozostaje głównym minusem z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego. Obróbka środkami ognioochronnymi to zestaw działań mających na celu zmniejszenie zapalności i zwolnienie rozprzestrzeniania się płomienia przez drewniane elementy konstrukcji. Nie oznacza to, że drewno staje się całkowicie niepalne, ale znacznie wzrasta jego zdolność do odporności na ogień, pozwalając zachować nośność konstrukcji w czasie krytycznie ważnym dla ewakuacji ludzi i prowadzenia akcji gaśniczej.

Mechanizm spalania drewna jest złożony i obejmuje fazy ogrzewania, rozkładu (pirolizy) z wydzielaniem gazów palnych, zapłonu oraz właściwego spalania. Środki ognioochronne wpływają na te fazy, zmieniając procesy chemiczne i fizyczne. Na przykład mogą sprzyjać tworzeniu niepalnej warstwy węgla na powierzchni, która utrudnia dostęp tlenu i przenikanie ciepła w głąb materiału. To zwalnia szybkość zwęglania, która dla wielu gatunków drewna wynosi około 0,7 mm/min. Zgodnie z ДСТУ Б В.2.7-19:2009, środki ognioochronne klasyfikuje się według grup skuteczności ognioochronnej. Środki I grupy zapewniają przekształcenie drewna w trudnopalne, a II grupy – w trudnozapalne. Ważne jest, że jakość obróbki powinna być kontrolowana wizualnie i instrumentalnie, z zapisem daty obróbki i typu zastosowanego preparatu.

W kontekście współczesnych konstrukcji drewnianych, w szczególności z drewna klejonego i paneli CLT, charakteryzujących się znaczną masywnością, obróbka środkami ognioochronnymi odgrywa kluczową rolę. Choć sama masywność zapewnia pewną naturalną ognioodporność dzięki powolnemu zwęglaniu, krytyczne węzły połączeń, gdzie zmniejsza się przekrój lub stosowane są elementy metalowe, stają się najbardziej wrażliwe. Właśnie te obszary wymagają wzmocnionej ochrony, aby odpowiadać takim wymaganiom, jak REI 30, REI 45 lub nawet REI 60, które określają czas zachowania nośności (R), integralności (E) oraz izolacyjności termicznej (I) w warunkach pożaru. Zastosowanie środków ognioochronnych w tych strefach pozwala osiągnąć niezbędne wskaźniki, zapewniając ogólne bezpieczeństwo pożarowe obiektu.

Środki ognioochronne reprezentują szeroki wachlarz substancji chemicznych, które dzielą się według kilku kryteriów: składu, mechanizmu działania oraz sposobu nanoszenia. Podstawowa klasyfikacja według składu obejmuje:

• Środki solne: Zwykle są to roztwory soli kwasu fosforowego, borowego, siarkowego. Są niedrogie, ale podatne na wymywanie wodą i mogą powodować korozję elementów metalowych. Zasada działania opiera się na tworzeniu niepalnej powłoki lub spęcznieniu pod wpływem wysokich temperatur.
• Środki niesolne (organiczne): Należą do nich polifosforany amonu, aminoplasty, żywice. Są bardziej odporne na wymywanie, mniej korozyjne, ale droższe. Często mają efekt spęczniający (powłoki intumescentne), który pod wpływem ogrzewania tworzy gęstą piankową warstwę chroniącą drewno przed bezpośrednim działaniem płomienia.
• Składy kombinowane: Łączą właściwości środków solnych i organicznych dla osiągnięcia optymalnego efektu.

Mechanizmy działania środków ognioochronnych są zróżnicowane:

1. Reakcja chemiczna: Niektóre środki ognioochronne reagują z celulozą drewna przy wysokich temperaturach, tworząc niepalne związki lub katalizując tworzenie warstwy węglowej, która jest skuteczną barierą dla płomienia i przenikania ciepła.
2. Bariera fizyczna: Powłoki intumescentne tworzą spęczniającą warstwę, która działa jako izolator termiczny, a niektóre składy solne tworzą szklistą powłokę, która blokuje dostęp tlenu do powierzchni.
3. Wydzielanie niepalnych gazów: Niektóre środki ognioochronne pod wpływem ogrzewania wydzielają niepalne gazy (na przykład amoniak, dwutlenek węgla), które rozrzedzają palną mieszankę gazów wydzielanych z drewna i utrudniają ich zapłon.

Wybór środka ognioochronnego zależy od warunków eksploatacji konstrukcji, niezbędnej klasy ognioodporności oraz typu materiałów drewnianych. Na przykład dla konstrukcji zewnętrznych lub pomieszczeń o zwiększonej wilgotności należy preferować środki ognioochronne odporne na wymywanie. Dla prac wewnętrznych, gdzie estetyka jest ważna, istnieją przezroczyste lub barwione składy, które nie zmieniają wyglądu zewnętrznego drewna. Ważne jest, aby zawsze zwracać uwagę na certyfikację produktu i jego zgodność z ДСТУ Б В.2.7-19:2009 dotyczącą skuteczności ognioochronnej.

Węzły mocowania w konstrukcjach drewnianych, zwłaszcza w domach z drewna klejonego lub CLT, są najbardziej wrażliwymi punktami z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego. Wynika to z kilku czynników: koncentracji naprężeń, zastosowania elementów metalowych, które są dobrymi przewodnikami ciepła, oraz potencjalnego zmniejszenia efektywnego przekroju drewna w miejscach połączeń. Prawidłowe projektowanie i obróbka tych węzłów są kluczowe dla zapewnienia ogólnej ognioodporności budynku.
Typowe krytyczne węzły obejmują:

• Węzły połączenia ścian i stropów: Te połączenia często wykorzystują metalowe płyty, kotwy lub śruby. Metal szybko się nagrzewa, przekazując ciepło w głąb drewna, co przyspiesza jego pirolizę i utratę nośności. Tutaj krytycznie ważne jest dodatkowe owinięcie elementów metalowych materiałami niepalnymi lub ich głębokie nasycenie środkami ognioochronnymi.
• Węzły krokwiowe i węzły mocowania murłaty: W konstrukcjach dachów, szczególnie w miejscach połączenia krokwi z murłatą oraz w węzłach kalenicowych, również stosowane są metalowe mocowania. Pożar rozprzestrzeniający się na pokrycie może szybko doprowadzić do zniszczenia tych węzłów, a tym samym do zawalenia dachu. Dodatkowa ochrona ogniowa, na przykład poprzez intensywne powierzchniowe nałożenie środków ognioochronnych lub zastosowanie płyt ognioochronnych, jest obowiązkowa. Przy montażu dachu należy uwzględnić wszystkie te aspekty już na etapie projektowania.
• Węzły połączenia kolumn i belek: W systemach fachwerkowych lub post-and-beam, gdzie kolumny i belki tworzą szkielet nośny, połączenia są często wykonywane za pomocą metalowych butów, trzpieni lub wrębów. Ochrona tych obszarów jest priorytetowym zadaniem, ponieważ ich zniszczenie może spowodować kaskadowe zawalenie konstrukcji. Europejska norma EN 1995-1-2 (Eurokod 5, Część 1-2 'Projektowanie konstrukcji drewnianych. Projektowanie konstrukcji na odporność ogniową’) zawiera szczegółowe metody obliczania ognioodporności takich węzłów, uwzględniając zmniejszenie przekroju drewna oraz wpływ elementów metalowych.

Dla skutecznej ochrony węzłów konieczne jest przeprowadzenie ich kompleksowej oceny na etapie projektowania, uwzględniając obciążenia, typ drewna, typ połączenia oraz niezbędną klasę ognioodporności. W praktyce oznacza to nie tylko wybór właściwego środka ognioochronnego, ale i precyzyjne przestrzeganie technologii jego nanoszenia, a także możliwe zastosowanie konstrukcyjnych środków ognioochronnych, takich jak okładzina płytami gipsowo-kartonowymi lub specjalnymi płytami ognioochronnymi.

Skuteczność obróbki środkami ognioochronnymi w dużej mierze zależy od prawidłowo wybranej technologii zastosowania. Istnieją dwa główne podejścia: obróbka powierzchniowa oraz głębokie nasycenie. Każde z nich ma swoje zalety, wady i obszary zastosowania.

Obróbka powierzchniowa

Ta metoda polega na nanoszeniu składów ognioochronnych na zewnętrzną powierzchnię elementów drewnianych. Można to wykonać za pomocą:

• Malowanie lub smarowanie: Najprostszy i najbardziej popularny sposób, który nie wymaga specjalnego wyposażenia. Środek ognioochronny nanosi się pędzlem, wałkiem lub rozpylaczem. Ważne jest zapewnienie równomiernego pokrycia oraz przestrzeganie normy zużycia materiału, określonej przez producenta (zwykle 300–600 g/m² dla osiągnięcia I lub II grupy skuteczności). Minusem jest mniejsza trwałość i podatność na wymywanie, jeśli skład nie jest wodoodporny.
• Zanurzenie: Elementy drewniane zanurza się w wannie ze środkiem ognioochronnym na określony czas. Ta metoda zapewnia lepszą penetrację w porównaniu z malowaniem, ale wymaga zbiorników odpowiedniego rozmiaru.

Obróbka powierzchniowa jest odpowiednia dla już zmontowanych konstrukcji lub elementów, które nie są narażone na intensywne działanie wilgoci. Pozwala szybko zwiększyć bezpieczeństwo pożarowe, ale wymaga okresowego odnawiania warstwy ochronnej, zwykle raz na 3–5 lat, w zależności od typu środka ognioochronnego i warunków eksploatacji.

Głębokie nasycenie

Ta metoda zapewnia maksymalną penetrację środka ognioochronnego w głąb drewna, co znacznie zwiększa trwałość i skuteczność ochrony. Głównym sposobem jest:

• Nasycenie autoklawowe: Drewno umieszcza się w hermetycznych komorach (autoklawach), gdzie za pomocą próżni i nadmiernego ciśnienia roztwór ognioochronny jest wtłaczany w pory materiału. Ta metoda pozwala osiągnąć penetrację na głębokość do 10–25 mm i nawet więcej, co czyni drewno trudnopalnym na cały okres eksploatacji konstrukcji. Nasycenie pod ciśnieniem zapewnia wysoką odporność na wymywanie i uszkodzenia mechaniczne. Jednak taki sposób jest przemysłowy i stosowany na etapie produkcji drewna budowlanego lub elementów gotowych, takich jak panele CLT lub elementy drewna klejonego.

Wybór technologii zależy od projektu, wymagań dotyczących ognioodporności oraz możliwości finansowych. Dla krytycznych węzłów, gdzie niezbędna jest trwała i wiarygodna ochrona, preferowane jest głębokie nasycenie. Jednak na obiekcie już zmontowane węzły często obrabia się metodami powierzchniowymi, przestrzegając rygorystycznych zasad nanoszenia w celu osiągnięcia maksymalnej skuteczności i minimalizacji typowych błędów przy budowie.

Na Ukrainie wymagania dotyczące bezpieczeństwa pożarowego budynków, w tym konstrukcji drewnianych, są regulowane szeregiem dokumentów normatywnych, kluczowym z nich jest ДБН В.1.1-7:2016 'Bezpieczeństwo pożarowe obiektów budowlanych’. Ten standard ustanawia klasy ognioodporności konstrukcji budowlanych, metody badań oraz wymagania dotyczące środków ognioochronnych.
Zgodnie z ДБН, dla konstrukcji drewnianych określane są następujące wskaźniki ognioodporności:

• R (nośność): Czas, w którym konstrukcja zachowuje swoją funkcję nośną pod wpływem ognia.
• E (integralność): Czas, w którym konstrukcja zachowuje swoją integralność, czyli nie powstają otwory przelotowe lub szczeliny, przez które produkty spalania mogą przenikać do niechronionych pomieszczeń.
• I (izolacyjność termiczna): Czas, w którym konstrukcja zachowuje swoją izolacyjność termiczną, czyli temperatura na nienagrzewanej powierzchni nie przekracza wartości dopuszczalnych, zapobiegając zapaleniu materiałów po drugiej stronie konstrukcji.

Klasy ognioodporności oznacza się jako REI z wartością liczbową (na przykład REI 30, REI 45, REI 60), co wskazuje na minimalny czas (w minutach), w którym konstrukcja musi odpowiadać tym trzem kryteriom. Dla elementów drewnianych, stosowanych jako konstrukcje nośne lub przegrody, te wskaźniki są krytycznie ważne. Na przykład dla budynków III stopnia ognioodporności, drewniane elementy nośne muszą mieć klasę ognioodporności nie mniejszą niż R 45. Bez odpowiedniej obróbki środkami ognioochronnymi oraz środków konstrukcyjnych osiągnięcie takich wskaźników dla węzłów drewnianych jest wyjątkowo trudnym zadaniem.
ДБН stawia również wymagania dotyczące materiałów ognioochronnych, które muszą mieć odpowiednie certyfikaty zgodności i być badane zgodnie z ДСТУ Б В.2.7-19-95 (ISO 834:1975) lub ДСТУ Б В.1.1-13. Normy zużycia środków ognioochronnych, a także okresowość kontroli stanu ochrony ogniowej, są obowiązkowe do wykonania. Projektanci przy projektowaniu budynków muszą jasno określać niezbędną klasę ognioodporności dla każdego elementu, a także uzasadniać wybrane metody ochrony ogniowej, uwzględniając specyfikę węzłów mocowania. Przestrzeganie tych norm jest gwarancją bezpiecznej i trwałej eksploatacji budynków drewnianych na Ukrainie.

Jednym z ważnych aspektów, który należy uwzględnić przy wyborze i zastosowaniu środków ognioochronnych, jest ich potencjalny wpływ na właściwości fizyko-mechaniczne drewna oraz ogólną trwałość konstrukcji. Istnieje powszechny mit, że obróbka środkami ognioochronnymi może istotnie zmniejszać wytrzymałość drewna. Jednak współczesne wysokiej jakości środki ognioochronne są opracowywane w taki sposób, aby minimalizować takie negatywne efekty.

Większość środków solnych, szczególnie przy głębokim nasyceniu, może nieznacznie zwiększać higroskopijność drewna, co w pewnych warunkach może prowadzić do zmiany jego wilgotności, a w konsekwencji do niewielkiego zmniejszenia wytrzymałości. Jednak to zmniejszenie zwykle nie przekracza 5-10% i jest uwzględniane w obliczeniach przy projektowaniu. Ważne jest unikanie stosowania środków ognioochronnych zawierających silne kwasy lub zasady, ponieważ mogą one powodować degradację celulozy i ligniny, co bezpośrednio wpływa na nośność materiału. Współczesne składy, zgodne z ДСТУ Б В.2.7-19:2009, przechodzą rygorystyczną kontrolę neutralności chemicznej.

W kwestii trwałości kluczowym czynnikiem jest odporność środka ognioochronnego na wymywanie. Środki solne, które nie przeszły dodatkowej fiksacji, mogą stopniowo wymywać się z drewna pod wpływem opadów atmosferycznych lub kondensatu, zwłaszcza w nieszczelnych węzłach. Prowadzi to do zmniejszenia ich skuteczności z czasem i wymaga okresowego odnawiania ochrony. Środki niesolne i fiksujące, zwłaszcza te zastosowane metodą nasycenia autoklawowego, zapewniają długotrwałą ochronę, która może trwać 20-30 lat i więcej bez istotnego zmniejszenia właściwości ognioochronnych.

Ponadto należy uwzględnić wpływ środków ognioochronnych na odporność korozyjną metalowych mocowań w węzłach. Niektóre składy solne mogą przyspieszać korozję stali. Dlatego dla węzłów z elementami metalowymi zaleca się stosowanie środków ognioochronnych o niskiej aktywności korozyjnej lub stosowanie zabezpieczonych mocowań metalowych (cynkowanych, nierdzewnych). Zapewnienie odpowiedniej wentylacji w węzłach również zmniejsza ryzyko korozji i wymywania. Wszystkie te aspekty podkreślają konieczność kompleksowego podejścia do wyboru i zastosowania środków ognioochronnych, a nie tylko skupienia się na bezpieczeństwie pożarowym.

Skuteczna ochrona ogniowa konstrukcji drewnianych zaczyna się na etapie projektowania. Współczesne podejścia wymagają integracji obróbki środkami ognioochronnymi i innych środków przeciwpożarowych w ogólną koncepcję budynku, często z wykorzystaniem technologii modelowania informacji o budynku (BIM). BIM pozwala nie tylko wizualizować konstrukcje, ale i zarządzać informacją o materiałach, ich właściwościach oraz wymaganiach dotyczących obróbki.
Integracja ochrony ogniowej w modelu BIM obejmuje:

• Ustawienie parametrów ognioodporności: Dla każdego elementu drewnianego i węzła w modelu można ustawić niezbędną klasę ognioodporności (na przykład REI 45), typ drewna i jego charakterystyki. Pozwala to automatycznie kontrolować zgodność projektu z wymaganiami normatywnymi ДБН В.1.1-7:2016.
• Określenie strefy i metody obróbki: W modelu BIM można graficznie oznaczyć obszary wymagające obróbki środkami ognioochronnymi, wskazać typ środka ognioochronnego (na przykład solny I grupy lub intumescentny) oraz metodę zastosowania (nałożenie powierzchniowe, głębokie nasycenie). Minimalizuje to ryzyko błędów na placu budowy i ułatwia kontrolę jakości.
• Obliczenie kosztów i zasobów: Na podstawie informacji w modelu można automatycznie obliczyć niezbędną ilość środka ognioochronnego dla różnych stref, koszt prac oraz terminy wykonania. Pomaga to zoptymalizować budżet projektu i uniknąć nieprzewidzianych wydatków.
• Szczegółowe opracowanie węzłów: W modelu BIM można stworzyć szczegółowe modele 3D krytycznych węzłów mocowania z uwzględnieniem warstw ognioochronnych, co pozwala inżynierom i monterom jasno rozumieć sekwencję prac oraz wymagania dotyczące materiałów. Jest to szczególnie ważne dla złożonych połączeń, gdzie współdziałanie drewna, metalu i powłok ognioochronnych jest krytyczne.

Kompleksowe podejście, zrealizowane za pomocą BIM, pozwala nie tylko zwiększyć bezpieczeństwo pożarowe obiektu, ale i zoptymalizować cały cykl życia budynku, od projektowania do eksploatacji. Pomaga to również uniknąć typowych błędów związanych z ignorowaniem szczegółów ochrony ogniowej, które mogą mieć katastrofalne konsekwencje. Uwzględnienie tych aspektów na wczesnych etapach projektowania jest gwarancją skutecznej i bezpiecznej budowy obiektów drewnianych.

Przyjrzyjmy się praktycznemu przykładowi zapewnienia ognioodporności dla wielopiętrowego budynku mieszkalnego w regionie karpackim, wzniesionego z paneli CLT. Dla tego obiektu ustalono wymaganie ognioodporności konstrukcji nośnych nie mniejsze niż REI 45. Szczególną uwagę poświęcono węzłom połączenia paneli CLT ścian ze stropami i ścianami zewnętrznymi.

Dane wyjściowe:

• Konstrukcja: Ściany i stropy z paneli CLT o grubości 140 mm.
• Węzły mocowania: Połączenia paneli CLT wykonywane za pomocą wkrętów o dużej średnicy oraz metalowych płyt kotwiących.
• Region: Karpaty – charakteryzuje się zwiększoną wilgotnością, co wymaga zastosowania środków ognioochronnych odpornych na wymywanie.
• Wymaganie: REI 45 dla wszystkich elementów nośnych.

Rozwiązanie i technologia obróbki:

1. Wybór środka ognioochronnego: Wybrano intumescentny środek ognioochronny II grupy skuteczności, odporny na wymywanie, który pod wpływem ogrzewania tworzy spęczniającą warstwę izolacyjną termicznie. Ten typ środka ognioochronnego jest idealny dla węzłów, ponieważ nie zmienia ich geometrii w normalnych warunkach, ale aktywnie działa w czasie pożaru. Norma zużycia wynosiła 700 g/m² dla osiągnięcia niezbędnej grubości warstwy ochronnej.
2. Obróbka węzłów w produkcji: Na etapie produkcji paneli CLT obszary przylegające do węzłów (około 200 mm od krawędzi) zostały obrobione głębokim nasyceniem pod ciśnieniem środkiem solnym I grupy. Zapewniło to podstawowy poziom ochrony przed pirolizą na wczesnych etapach pożaru.
3. Obróbka finalna na obiekcie: Po montażu wszystkich paneli CLT i uformowaniu węzłów, wszystkie widoczne metalowe mocowania oraz przylegające do nich powierzchnie drewniane (w odległości 100 mm) zostały dodatkowo obrobione środkiem intumescentnym poprzez malowanie w dwóch warstwach. Zapewniło to zewnętrzną warstwę ochronną, która rozszerza się przy wysokich temperaturach, zasłaniając szczeliny i chroniąc elementy metalowe przed szybkim nagrzewaniem.
4. Kontrola jakości: Po wyschnięciu jakość powłoki sprawdzano wizualnie pod względem równomierności i braku pominięć. Przeprowadzono wybiórcze pomiary grubości warstwy środka ognioochronnego, a także kontrolę wizualną pod względem korozji elementów metalowych, co jest ważne zgodnie z ДБН В.1.1-7:2016.

Wynik: Dzięki kombinowanemu podejściu (głębokie nasycenie w produkcji i powierzchniowa obróbka intumescentna na obiekcie) udało się osiągnąć klasę ognioodporności REI 45 dla wszystkich krytycznych węzłów, co zostało potwierdzone certyfikowanymi badaniami próbek analogicznych do węzłów projektowych.