Faanyagok tűzvédelme Tanulmány Szerkezetépítés III. 2017-2018/ II. félév Piszkei Péter Németh Dávid
Németh Gergő Horváth Roland A fa, mint építőanyag világszerte reneszánszát éli, amely több tényezőnek köszönhető. Egyrészt a krónikussá váló fahiány enyhülését eredményezte a kevésbé értékes faanyagok alkalmazásával készülő ragasztott faszerkezetek megjelenése, valamint csökkent a fának tüzelőanyagként történő felhasználása a korszerű fűtőanyagok előtérbe kerülése révén. Másrészt az építmények természettől való elszakadása többek között a műanyagok túlzott felhasználása következtében jelentősen megnőtt, emiatt néhány éve az építészetben és így az építőiparban is új igény jelentkezett, nevezetesen az építményeknek kizárólag természetes építőanyagokból (égetett kerámia, kő, fa) történő építése. Harmadrészt a nagy terek lefedésének igénye előtérbe helyezte a fatartók alkalmazását, azok kis tömege esztétikus megjelenése, könnyű szerelhetősége (gyors kivitelezés) miatt. A fa építőipari célú felhasználásának azonban bizonyos korlátokat szab a tűzvédelem. Ezen belül a tűzvédelmi létesítési előírások. Az éghetőségi csoport a szabványos éghetőségi vizsgálatok alapján az építőanyagok és az épületszerkezetek besorolására meghatározott kategória, amelyben a tűzzel, illetve a magas hőmérséklettel szembeni viselkedés jut kifejezésre. Megkülönböztethető két csoport, éspedig a nem éghető és az éghető anyagok, szerkezetek csoportja. Az utóbbi nehezen éghető, közepesen éghető és könnyen éghető alcsoportba sorolható. Az építőiparban alkalmazott védelem nélküli faszerkezetet, így a teherhordó tömör és rétegelt ragasztott pillérek, oszlopok, gerendák, ív és keretszerkezetek, a nem teherhordó térelhatároló réteges felépítésű szerkezetek, a burkolatként felhasznált forgácslapok és pozdorjalapok közepesen éghető, míg a farostlemezek a könnyen éghető alcsoportba tartoznak. 1. Faépítőanyagok osztályba sorolása Az Európai Gazdasági Közösség irányelv I. melléklet 2. pontban előírásra került, hogy az építményt úgy kell megtervezni és kivitelezni, hogy tűz esetén: - az építmény egy bizonyos ideig megőrizze teherbíró képességét, - korlátozva legyen a tűz és füst keletkezése és terjedése az építményben, - korlátozva legyen a tűz szomszédos építményekre való átterjedése, - az ott tartózkodók az épületet sértetlenül elhagyhassák vagy más intézkedések segítségével kilehessen őket menteni, - biztosítva legyen a tűzoltók biztonsága. Megtévesztő, hogy a puhafák és keményfák kifejezéseket az angol nyelvterületen rendszeresen használják a fenyők és a lombos fák csoportjának szinonimájaként. Az
elnevezés nem a belőlük nyert fa puhaságára vagy keménységére utal. Igaz, hogy a fenyőkből nyert faanyag puha, a lombosokból nyert pedig kemény, de a keményfák csoportjába tartozó egyes fajok, mint például a nyár sokkal puhább fát ad, mint a puhafák közé tartozó tiszafa vagy szurokfenyő. Az MSZ EN 13501-1 szabvány szerint az építési termékeket hét osztályba (A1; A2; B; C; D; E; F) sorolják be. A 1. sz. táblázatban azokat a termékek és anyagok találhatóak, amelyek a tűzzel szembeni viselkedés jellemzőjének összes követelményét kielégítik anélkül, hogy vizsgálatra lenne szükség. Fa alapanyagú lemezek és lapok EN termék kategória hivatkozás Minimumsűrűség 1 (kg/m3) Minimumvastagság (mm) Osztály2 (kivéve padlóburkolatok) Forgácslemez EN 312 600 9 D-s2,d0 Farostlemez, EN 622-2 900 6 D-s2, d0 kemény Farostlemez, EN 622-3 600 9 D-s2, d0 középkemény Farostlemez EN 622-4 250 9 E Közepes sűrűségű farostlemez EN 622-5 600 9 D-s2, d0 Cementkötésű EN 634-2 1000 10 B-s1, d0 forgácslap OSB-lemez EN300 600 9 D-s2, d0 Rétegelt EN 636 400 9 D-s2, d0 lemez Tömörfa lap EN 13353 400 12 D-s2, d0 1. sz. táblázat: Fatermékek tűzvédelmi paraméterei A 2. sz. táblázatban a szerkezeti faanyagok fontosabb kritériumait találhatóak. Anyagmegnevezé s EN termék kategória Minimumsűrűség (kg/m3) Minimumvastags ág (mm) Osztály (kivéve padlóburkolatok) hivatkozás Szerkezeti EN 13238 350 22 D-s2, d0 faanyag Ragasztott faanyag EN 14080 380 40 D-s2, d0 2. sz. táblázat: Tartószerkezeti fatermékek tűzvédelmi paraméterei
A fatermékek 22 mm minimumvastagságtól és 350 kg/m3 minimumsűrűségtől D tűzvédelmi osztályba tartoznak. A faanyagú tartószerkezet állékonysági (törési) határállapota a szakmai tévhitekkel ellentétben kedvezőnek mondható. A tűzhatásnak kitett faszerkezetek viszonylag gyorsan meggyulladnak, majd égésük során a tűznek kitett felületen egy elszenesedett réteg keletkezik, melynek vastagsága megközelítően állandó ütemben növekszik. Az elszenesedett réteg, mely gyakorlatilag nem rendelkezik szilárdsággal a teherbíró képesség fokozatos csökkenését vonja maga után. (Szenesedett szarufák) Számos tényleges tűz, valamint kísérlet igazolta, hogy a faszerkezetek a tűzeseteknél viszonylag jól megőrzik szilárdságukat, amely részben az elszenesedett réteg hőszigetelő hatásának, részben a magas hőmérséklet következtében az elszenesedéssel nem érintett mag kiszáradási folyamatának az eredménye. A tűzállósági méretezéshez a fa fajtájától függő beégési sebességek ismerete szükséges, amely a fa tartószerkezetek tűzállósági vizsgálata során a teherviselő keresztmetszeti méretek időegység alatt bekövetkező csökkenését jelenti. A fa elszenesedési folyamatát olyan tényezők befolyásolják, mint a sűrűség (elsődlegesen fafajtól függ), nedvességtartalom, anyagi inhomogenitás (repedések, göcsök), keresztmetszet, vagy épp a beépítési helyzet. Könnyen belátható, hogy a keresztmetszet sarkai hamarabb leégnek, mint az oldalfelületek. Ezt a hatást átlagos beégési sebességgel tudjuk figyelembe venni. A számításoknál a következő adatokat célszerű alkalmazni: 1. fenyőfa 1,0 mm/perc 2. nyárfa 1,3 mm/perc 3. akácfa 0,6 mm/perc 4. tölgyfa 0,5 mm/perc
2. Égéskésleltetés A legrégebbi fennmaradt információ az égéskésleltetett fákra vonatkozóan i.e. 360 Aeneias az erődépítésről szóló könyvben a fa ecettel való bekenését írja a lángmentesítés érdekében. Ostromtornyot timsóval itattak át már i.e. 86-ban. I.sz. 98 Nerva császár idejére tehető, amikor is spanyolországi riotinói rézbányákban a réz által a faoszlopok és faburkolatok éghetetlenné váltak. [5] A módszer nem terjedt el, mivel természeti ritkaságnak tekintették. 1740-ben megjelenik a timsóból és vasgálicból készített tűz ellen védő bevonat, amelyhez később konyhasót adagoltak. A lipcsei polytechnikai társaság 1862- es folyóiratában már számos módszert jelöl meg a fák védelmére köztük a fa kigőzölését és kilúgozását, majd ércsó oldattal történő beitatását. Az égéskésleltető vegyi anyagokat öt osztályba lehet sorolni: - Mechanikus hatású védőszerek, - Olvadékot képző védőszerek, - Habréteget képző égéskésleltető szerek, - Oltógázokat fejlesztő védőszerek, - Faanyag felületét elszenesítő védőszerek. A tűzvédelmi osztály égéskésleltető szerekkel B osztályig növelhető fontos információ, hogy 2010. május 10. után a csak a 1048/2005/EK rendeletben meghatározott biocidot4 tartalmazó védőszert lehet forgalomba hozni és vele a fát kezelni. Égéskésleltető szer: védőszer, amely a vele kezelt bevont, átitatott, telített éghetőanyag kedvezőbb tűzvédelmi osztályba sorolását meghatározott időtartamig (újrak ezelési időig) biztosítja. Az égéskésleltető anyag sem a felhasználás során, sem az égés hőmérsékletén az emberi szervezetre káros hatást ne fejtsen ki. Az égéskésleltető anyag ne okozzon figyelembe veendő korróziót a fa anyagában és a kezelt faanyaggal érintkező szerkezeti anyagokon (pl. fémen, gumin, műanyagon), ne legyen nedvszívó, ne fokozza a faanyag a biológiai károsítókkal szemben esendőségét. Az égési folyamatot fizikai, kémiai úton befolyásoló égéskésleltető szerek hő hatására: a kezelt felületen olvadékot, vagy szigetelőréteget képeznek, és/vagy megváltoztatják a faanyag bomlási mechanizmusát, valamint a felszabaduló bomlástermékek összetételét. Ilyen, -igazoltan égéskésleltető hatású anyagok a karbamid kondenzátumok, a formaldehidek, a metilol-melamin kondenzátumok, a foszfátokat, lágyítókat és pigmenteket tartalmazó polivinilacetát diszperziók. A laboratóriumi vizsgálatok igazolták, hogy a nagy keresztmetszetű (120 mm-nél szélesebb) fatartók felületi égéskésleltetésétől hatékony eredmény nem várható. Indokolt azonban ugyanez a kezelés az olyan faszerkezetek esetében, mint a tetőfödém tartószerkezete közötti födémmezők, a különböző padló-, fal és mennyezetburkolatok, melyek gyújtásveszélye a lámpatestek, villamos vezetékek, hőtermelő berendezések közelsége miatt fokozott. Az adott célra alkalmas anyag kiválasztásához ismerni kell:
- a kitettség körülményeit (állandóan száraz környezet, időszakos vagy tartós páratartalommal járó környezet, esetleges agresszív gázok, gőzök előfordulás stb.), - biológiai károsítók elleni védelem szükségességét, - az elérendő (elérhető) célt ( a biztosítani kívánt védelem mértékét, az esztétikai szempontok fontosságát, környezetvédelmi szempontokat, követelményeket költségvonzatok szerepét stb.), - a számításba jöhető eljárások, anyagok sajátosságait (egymással való összeférhetőséget, alkalmazástechnikai jellemzőket, színezhetőséget, utánkezelhetőséget stb.), - A kezelendő faanyag felületkezelés szempontjából lényeges anatómiai sajátosságait. Alkalmazási példa: Sárospatak Művelődés Háza - Beltéri faszerkezet transzparens égéskésleltető készítménnyel történő kezelése 3. Méretezés A faszerkezeteket az Eurocode 5 fejezet tárgyalja, ezen belül is a tűzterhelésre vonatkozó méretezési eljárás a szabvány kimondja, hogy a szerkezeteket úgy kell kialakítani, hogy azok teherbíró képességüket egy bizonyos ideig megőrizzék. A teherbíró képesség megtartását kétféle módon lehet biztosítani: - a tartószerkezeti elemeket megfelelő tűzvédelmet biztosító burkolattal kell ellátni (festékek, burkolólapok), - a szerkezetet úgy kell méretezni, hogy azok a tűz hatására meggyengült állapotukban is képesek legyenek a terhek viselésére. Építészeti igények miatt egyre többször kerül sor a fa szerkezetek (rácsos tartók, mesterfiókgerendás födémek, oszlopok stb.) természetes állapotukban való bemutatására, ami nem teszi lehetővé a szerkezeti kialakítás elburkolását.
A faanyagú tartószerkezeti elemek tűzteherre való méretezésének alapelvei a következők: Csökkentett keresztmetszeti jellemzők: A faanyagú tartószerkezeti elem keresztmetszete az égés hatására fokozatosan csökken: beég. A beégés során a keresztmetszetben három határvonalat különböztetünk meg: - kezdeti (beégés előtti) kerület, - megmaradó (beégés utáni) terület határa, - effektív (egyszerűsített) terület határvonala. Az eredeti és a beégés utáni határvonalak közötti részt beégési mélységnek, a megmaradó és effektív határvonalak közötti területet átmeneti rétegnek nevezzük. (lásd 1. ábra). Ezek után a tartószerkezet teherbírási ellenállását egy csökkentett keresztmetszetre kell igazolni. Csökkentett keresztmetszeti módszer: Ez esetben a valós beégés előtti keresztmetszetből le kell vonni a beégett részt, illetve az égéssel károsult átmeneti részt. (1. ábra : Csökkentett keresztmetszeti méretek meghatározása) Csökkentett anyagtulajdonságok módszere: itt a valós keresztmetszetből csak a beégett részt kell levonni - 2. ábra -, viszont a megmaradó keresztmetszet szilárdságát és merevségét az átmeneti réteg gyengítő hatása miatt csökkentett értékkel kell figyelembe venni.
(2. ábra: Csökkentett anyagtulajdonságok módszere)
4. Felhasználás A faszerkezetek leggyakoribb alkalmazási köre a csarnoképületeknél jelentkezik, melyek kizárólag a tetőtérrel nem rendelkező ipari és tárolási célú épületek, valamint a közösségi épületek közül a sportlétesítmények, vásárcsarnokok lehetnek. A csarnoképületekre jellemző, hogy olyan egyszintes, tetőtér nélküli, nagy légterű épületek, melyek átlagos belmagassága a 3,60 m-t meghaladja. Az ilyen épületeknél kivéve az I-II. tűzállósági fokozatba sorolt csarnokokat amennyiben a tűzszakaszra vonatkozó szabályozás /MSZ 595/5-87./ lehetővé teszi a rétegeltragasztott, vagy egyéb tömör fatartók oszlopként, keretszerkezetként és tetőfödém tartószerkezetként egyaránt alkalmazhatók, valamint figyelembe vehetők a réteges felépítésű faszerkezetek tetőfödém térelhatároló szerkezetekként (födémmezőként.).
(Tiszaújvárosi sportcentrum tetőszerkezete) (Felcsúti stadion faszerkezete) Összefoglalás A fa tartószerkezetek tűzhatásra méretezése fontos szerepet kap a közeljövőben. A méretezéssel a látszó és tűzvédő burkolat nélküli fa szerkezetek így megfelelővé válhatnak az esztétikai és a tűzvédelmi követelményeknek. A méretezés pontos statikai és tűzvédelmi ismereteket igényel, ugyanakkor le kell szögezni a fa, mint szerves anyag tűzvédelme számítással is csak korlátozott lehet. Végül, de nem utolsósorban a méretezett fa tartószerkezetek, tűzállósági határértéke kizárólag abban az esetben lesz meghatározó, ha a szerkezetek hagyományos fakötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Amennyiben a teherátadásra alkalmas kapcsolatokat fémből (pl. ívés keretszerkezetek csuklói) alakítják ki, úgy a szerkezet tűz hatására viszonylag rövid időn 15 percen belül elveszti teherbíró képességét, bár a fatartó keresztmetszete még elegendő lenne, a szerkezet stabilitásának megőrzéséhez. Következésképpen ahhoz, hogy a faszerkezetet az előírt tűzállósági határértéknek megfeleljen a fém kapcsolatokat tűzvédő burkolattal, vagy tűzvédő bevonattal kell ellátni.